Φυσικοί Δημιουργούν Ειδικό Υπολογιστή Κβάντου Με 256 Κβάντ

Σε μια σημαντική πρόοδο στην κβαντική υπολογιστική, μια ομάδα φυσικών από το Κέντρο Υπερψυχρών Ατόμων του Χάρβαρντ-ΜΙΤ και άλλων πανεπιστημίων έχουν δημιουργήσει ένα ειδικό είδος κβαντικού υπολογιστή. Αυτό το σύστημα ονομάζεται προγραμματιζόμενος κβαντικός模υλιστής και μπορεί να λειτουργήσει με 256 κβάντ, ή «κβάντ». Τα κβάντ είναι θεμελιώδη για τη λειτουργία των κβαντικών υπολογιστών και είναι η πηγή της επεξεργαστικής τους δύναμης.

Η νέα ανάπτυξη μας φέρνει πιο κοντά στην επίτευξη μεγάλης κλίμακας κβαντικών μηχανών, οι οποίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να αποκτήσουν βαθιά κατανόηση των σύνθετων κβαντικών διαδικασιών. Θα μπορούσαν επίσης να έχουν σημαντικές επιπτώσεις σε τομείς όπως η επιστήμη των υλικών, οι τεχνολογίες επικοινωνίας, η finance και διάφοροι άλλοι που αντιμετωπίζουν εμπόδια στην έρευνα.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στις 9 Ιουλίου στο Nature. 

Προωθώντας το Πεδίο Εμπρός

Ο Mikhail Lukin είναι ο Καθηγητής Φυσικής George Vasmer Leverett και συνδιευθυντής της Πρωτοβουλίας Κβάντου του Χάρβαρντ. Είναι επίσης ένας από τους старших συγγραφείς της μελέτης.

“Αυτό μεταφέρει το πεδίο σε một νέα περιοχή όπου κανείς δεν έχει πάει μέχρι τώρα”, είπε ο Lukin. “Εισερχόμαστε σε ένα完全 nuovo μέρος του κβαντικού κόσμου”.

Ο Sepehr Ebadi είναι φοιτητής φυσικής στη Σχολή Τεχνών και Επιστημών και ο основной συγγραφέας της μελέτης.

Σύμφωνα με τον Ebadi, τα μεγαλύτερα χαρακτηριστικά του συστήματος είναι το μέγεθος και η προγραμματιζόμενος, τα οποία το καθιστούν ένα από τα κορυφαία συστήματα γύρω. Μπορεί να εκμεταλλευτεί τις ιδιότητες της ύλης σε εξαιρετικά μικρές κλίμακες, οι οποίες του επιτρέπουν να προωθήσει την επεξεργαστική δύναμη. Μια αύξηση των κβάντ μπορεί να βοηθήσει το σύστημα να αποθηκεύσει και να επεξεργαστεί εκθετικά περισσότερες πληροφορίες από τα κλασικά bit, τα οποία βασίζονται οι τυπικοί υπολογιστές.

“Ο αριθμός των κβαντικών καταστάσεων που είναι δυνατόν με μόνο 256 κβάντ υπερβαίνει τον αριθμό των ατόμων στο ηλιακό σύστημα”, είπε ο Ebadi.

Ο симυλιστής έχει επιτρέψει στους ερευνητές να παρατηρήσουν εξωτικές κβαντικές καταστάσεις της ύλης, καθώς και να thựcέψουν μια μελέτη κβαντικής φάσης, η οποία ήταν εξαιρετικά ακριβής και έδειξε πώς λειτουργεί ο μαγνητισμός στο κβαντικό επίπεδο.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτές οι πειραματικές μελέτες θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να μάθουν πώς να σχεδιάσουν νέα υλικά με εξωτικές ιδιότητες.

Το Νέο Σύστημα

Το έργο βασίζεται σε μια πλατφόρμα που αναπτύχθηκε το 2017 από τους ερευνητές, αλλά αναβαθμίστηκε σημαντικά αυτή τη φορά. Ήταν ικανό να φτάσει σε μέγεθος 51 κβάντ στο παρελθόν και επέτρεψε στους ερευνητές να συλλάβουν υπερψυχρά άτομα ρουβιδίου και να τα διατάξουν σε μια συγκεκριμένη σειρά μέσω της χρήσης μιας μονοδιάστατης σειράς ατομικά εστιασμένων laser δέσμων. 

Αυτό το σύστημα επιτρέπει στα άτομα να συναθροίζονται σε δισδιάστατες σειρές οπτικών πινακίδων, το οποίο είναι το όνομα για τις laser δέσμες. Αυτό ermögίζει το επιτεύξιμο μέγεθος του συστήματος να αυξηθεί από 51 σε 256 κβάντ. Οι ερευνητές μπορούν τότε να χρησιμοποιήσουν τις πινακίδες για να διατάξουν τα άτομα σε ατελείωτες μορφές και να δημιουργήσουν προγραμματιζόμενες μορφές, οι οποίες επιτρέπουν διαφορετικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κβάντ.

“Το εργαστήριο αυτής της νέας πλατφόρμας είναι ένα συσκευή που ονομάζεται χωρικός ελαφρύς modulator, ο οποίος χρησιμοποιείται για να διαμορφώσει ένα οπτικό κύμα για να παράγει εκατοντάδες ατομικά εστιασμένα οπτικά πινακίδες δέσμες”, είπε ο Ebadi. “Αυτά τα συστήματα είναι ουσιαστικά τα ίδια με αυτά που χρησιμοποιούνται μέσα σε einen υπολογιστή projector για να εμφανίσουν εικόνες σε μια οθόνη, αλλά τα έχουμε προσαρμόσει για να είναι ένα κρίσιμο συστατικό του κβαντικού симυλιστή μας”.

Τα άτομα φορτώνουν πρώτα τυχαία στις οπτικές πινακίδες πριν οι ερευνητές τα μετακινήσουν και τα διατάξουν σε στόχους γεωμετρίες. Μια δεύτερη σειρά οπτικών πινακίδων χρησιμοποιείται για να σύρει τα άτομα στις επιθυμητές θέσεις, οι οποίες εξαλείφουν την αρχική τυχαία. Οι laser επιτρέπουν στους ερευνητές να έχουν πλήρη έλεγχο над τη θέση των ατομικών κβάντ και την συνεχή κβαντική τους χειραγώγηση.

Ο Tout Wang είναι ερευνητής φυσικής στο Χάρβαρντ και ένας από τους συγγραφείς του εγγράφου.

“Η δουλειά μας είναι μέρος ενός πραγματικά εντατικού, υψηλής ορατότητας παγκόσμιου αγώνα για να χτίσει μεγαλύτερες και καλύτερες κβαντικές υπολογιστές”, είπε ο Wang. “Η συνολική προσπάθεια [πέρα από τη δική μας] έχει κορυφαία ακαδημαϊκά ερευνητικά ιδρύματα και σημαντικές ιδιωτικές επενδύσεις από την Google, την IBM, την Amazon και πολλούς άλλους”.

Η ομάδα εργάζεται τώρα για να βελτιώσει το σύστημα βελτιώνοντας τον έλεγχο laser πάνω στα κβάντ, καθώς και κάνει το σύστημα πιο προγραμματιζόμενο. Σύμφωνα με τους ερευνητές, πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν την έρευνα εξωτικών μορφών κβαντικής ύλης και την επίλυση πραγματικών προβλημάτων που μπορούν να κωδικοποιηθούν φυσικά στα κβάντ.

“Αυτό το έργο ermögίζει ένα τεράστιο αριθμό νέων επιστημονικών κατευθύνσεων”, είπε ο Ebadi. “Δεν είμαστε πουθενά κοντά στα όρια του τι μπορεί να γίνει με αυτά τα συστήματα”.