Φυσικοί Δημιουργούν Ειδικό Υπολογιστή Κουάντουμ με 256 Κουάντ

Σε μια σημαντική πρόοδο στην υπολογιστική των κουάντουμ, μια ομάδα φυσικών από το Κέντρο Υπερψυχρών Ατόμων του Χάρβαρντ-ΜΙΤ και άλλων πανεπιστημίων έχουν δημιουργήσει ένα ειδικό είδος υπολογιστή κουάντουμ. Αυτό το σύστημα ονομάζεται προγραμματιζόμενος模υλатор κουάντουμ και μπορεί να λειτουργήσει με 256 κβάντικα bits, ή “qubits”. Τα qubits είναι θεμελιώδη για τη λειτουργία των υπολογιστών κουάντουμ και είναι η πηγή της επεξεργαστικής τους δύναμης.

Η νέα ανάπτυξη μας φέρνει πιο κοντά στην επίτευξη μεγάλης κλίμακας μηχανών κουάντουμ, οι οποίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να αποκτήσουν βαθιά κατανόηση των σύνθετων διαδικασιών κουάντουμ. Θα μπορούσαν επίσης να έχουν σημαντικές επιπτώσεις σε πεδία όπως η επιστήμη των υλικών, οι τεχνολογίες επικοινωνίας, η οικονομία και άλλα που αντιμετωπίζουν τώρα 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 Κουάντουμ του Χάρβαρντ. Είναι επίσης ένας από τους αρχαιότερους συγγραφείς της μελέτης.

“Αυτό μεταφέρει το πεδίο σε μια νέα περιοχή όπου κανείς δεν έχει πάει μέχρι τώρα,” είπε ο Lukin. “Εισερχόμαστε σε ένα完全 νέο μέρος του κόσμου των κουάντουμ.”

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

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

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

Ο模υλатор έχει επιτρέψει στους ερευνητές να παρατηρήσουν εξωτικές κβαντικές καταστάσεις της ύλης, καθώς και να πραγματοποιήσουν 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 qubits 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 συναρμολογηθούν σε δισδιάστατες σειρές οπτικών πινακίδων, που είναι το όνομα για τις laser δέσμες. Αυτό επιτρέπει στο επιτεύξιμο μέγεθος του συστήματος να αυξηθεί από 51 σε 256 qubits. 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 qubits.

“Το εργαλεία αυτής της νέας πλατφόρμας είναι ένα συσκευή που ονομάζεται χωρικός модυλатор φωτός, η οποία χρησιμοποιείται για να διαμορφώσει ένα οπτικό μέτωπο για να παράγει εκατοντάδες ατομικά εστιασμένες οπτικές πινακίδες,” είπε ο Ebadi. “Αυτά τα συσκευές είναι ουσιαστικά τα ίδια με αυτά που χρησιμοποιούνται μέσα σε einen υπολογιστή projector για να εμφανίσουν εικόνες σε μια οθόνη, αλλά τα abbiamo προσαρμόσει για να είναι ένα κρίσιμο συστατικό του κβαντικού μας симυλαтора.”

Τα άτομα φορτώνονται πρώτα τυχαία στις οπτικές πινακίδες πριν οι ερευνητές μετακινήσουν τα άτομα και τα διατάξουν σε στόχους γεωμετρίες. Μια δεύτερη σειρά κινητών οπτικών πινακίδων χρησιμοποιείται τότε για να τραβήξει τα άτομα στις επιθυμητές θέσεις, η οποία εξαφανίζει την αρχική τυχαία. Οι laser επιτρέπουν στους ερευνητές να έχουν πλήρη έλεγχο над τη θέση των ατομικών qubits και την εύκολη 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 χτιστεί μεγαλύτεροι και καλύτεροι υπολογιστές κουάντουμ,” είπε ο Wang. “Η συνολική προσπάθεια [πέρα από τη δική μας] έχει κορυφαία ακαδημαϊκά ερευνητικά ιδρύματα και σημαντικές ιδιωτικές επενδύσεις από την Google (GOOGL ), την IBM, την Amazon (AMZN ) και πολλά άλλα.”

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

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