Fyysikot kehittivät erityisen 256 kvantubitin kvanttitietokoneen

Kvanttilaskennassa tapahtunut merkittävä edistysaskel on saavutettu, kun Harvard-MIT Center for Ultracold Atomsin ja muiden yliopistojen fyysikkojen tiimi on luonut erityisenlaisten kvanttitietokoneen. Tämä järjestelmä on ohjelmoitava kvanttitietokonesimulaattori, ja se voi toimia 256 kvantibitin eli “qubitin” avulla. Qubitit ovat kvanttitietokoneiden toiminnan kannalta olennaisia, ja ne ovat kvanttitietokoneiden laskentatehon lähde.

Uusi kehitys tuo meidät lähemmäs suurten mittakaavojen kvanttilaitteiden saavuttamista, joita voidaan käyttää saavuttamaan syvä ymmärrys monimutkaisista kvanttiprosesseista. Ne voivat myös vaikuttaa merkittävästi aloilla kuten materiaalitieteessä, viestintäteknologioissa, rahoituksessa ja monilla muilla aloilla, joilla on tällä hetkellä tutkimuksellisia esteitä.

Tutkimus julkaistiin 9. heinäkuuta Nature -julkaisussa.

Alaa eteenpäin

Mikhail Lukin on Harvardin fysiikan professori ja Harvard Quantum Initiatiiven johtaja. Hän on myös yksi tutkimuksen seniorikirjoittajista.

“Tämä siirtää alan uuteen alueeseen, jossa kukaan ei ole aiemmin ollut”, Lukin sanoi. “Me menemme täysin uuteen osaan kvanttimaailmaa.”

Sepehr Ebadi on fysiikan opiskelija Taiteiden ja tieteiden graduate schoolissa ja tutkimuksen pääkirjoittaja.

Ebadin mukaan järjestelmän suurimmat ominaisuudet ovat sen koko ja ohjelmoitavuus, mikä tekee siitä yhden parhaista järjestelmistä. Se voi hyödyntää aineen ominaisuuksia erittäin pienillä mittakaavoilla, mikä mahdollistaa laskentatehon parantamisen. Qubittien määrän lisääminen voi auttaa järjestelmää tallentamaan ja prosessoimaan eksponentaalisesti enemmän tietoa kuin klassiset bitit, joita perinteiset tietokoneet käyttävät.

“Vain 256 qubitin mahdollisten kvanttitilojen määrä ylittää aurinkokunnan atomeja”, Ebadi sanoi.

Simulaattori on mahdollistanut tutkijoille eksotisten kvanttitilojen havaitsemisen sekä kvanttivaiheen siirtymisen tutkimisen, joka oli erittäin tarkin ja osoitti, miten magnetismi toimii kvantitasolla.

Tutkijoiden mukaan nämä kokeet voivat auttaa tutkijoita oppimaan suunnittelemaan uusia materiaaleja eksotisilla ominaisuuksilla.

Uusi järjestelmä

Projekti perustuu vuonna 2017 tutkijoiden kehittämälle alustalle, mutta se on merkittävästi parannettu tällä kertaa. Se pystyi aiemmin saavuttamaan 51 qubitin koon ja mahdollisti tutkijoille ultra-kylmien rubidium-atomeja ja järjestämään ne tietyn järjestyksen mukaisesti yhdenulotteisen, yksilöllisesti kohdistettujen laser-säteiden avulla.

Tämä järjestelmä mahdollistaa atomeja koota kaksiulotteisissa optisten tweezereiden matriiseissa, joka on laser-säteiden nimitys. Tämä mahdollistaa järjestelmän koon kasvamisen 51 qubitista 256 qubitiin. Tutkijat voivat sitten käyttää tweezerejä järjestämään atomeja virheettömissä malleissa ja luoda ohjelmoitavissa muodoissa, mikä mahdollistaa erilaiset vuorovaikutukset qubittien välillä.

“Uuden alustan työhevonen on laite, jota kutsutaan spatial light modulaattoriksi, jota käytetään muotoilemaan optinen aalto eteenpäin tuottamaan satoja yksilöllisesti kohdistettuja optisia tweezerejä”, Ebadi sanoi. “Nämä laitteet ovat käytännössä samanlaisia kuin mitä käytetään tietokoneen projektorissa näyttämään kuvia ruudulla, mutta olemme sopeuttaneet ne oleelliseksi osaksi kvanttitietokonesimulaattoriamme.”

Atomiin ladataan ensin optisiin tweezereihin satunnaisesti ennen kuin tutkijat siirtävät atomeja ja järjestävät ne kohdegeometrioissa. Toisen sarjan liikkuva optinen tweezerejä käytetään vetämään atomeja haluttuihin sijainteihin, mikä poistaa alkuperäisen satunnaisuuden. Laserit antavat tutkijoille täydellisen hallinnan atomeja ja niiden koherentin kvanttimekaanisen manipuloinnin.

Tout Wang on fysiikan tutkija Harvardissa ja yksi tutkimuksen kirjoittajista.

“Meidän työmme on osa todella intensiivistä, korkean näkyvyyden kansainvälistä kilpailua rakentaa suurempia ja parempia kvanttitietokoneita”, Wang sanoi. “Koko pyrkimys (meidän omamme lisäksi) on mukana johtavat akateemiset tutkimuslaitokset ja merkittävät yksityisen sektorin sijoitukset Googlelta, IBM:ltä, Amazonilta ja monilta muilta.”

Tiimi työskentelee parantamaan järjestelmää parantamalla laserin hallintaa qubiteissa sekä tekemällä järjestelmästä ohjelmoitavamman. Tutkijoiden mukaan mahdollisia sovelluksia ovat eksotisten kvanttimateriaalien tutkiminen ja ratkaiseminen todellisen maailman ongelmia, jotka voidaan luonnostaan koodata qubiteille.

(GOOGL ) (AMZN )

“Tämä työ mahdollistaa valtavan määrän uusia tieteellisiä suuntia”, Ebadi sanoi. “Emme ole vielä lähelläkään rajoja, mitä voidaan tehdä näillä järjestelmillä.”