Fyysikot kehittävät erityisen 256 qubitin kvanttitietokoneen

Tämä on suuri edistysaskel kvanttilaskennassa, ja Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms -tutkimuskeskuksen ja muiden yliopistojen fyysikoiden tiimi on luonut erityisenlainen kvanttitietokoneen. Tämä järjestelmä on ohjelmoitava kvanttitietokonesimulaattori, ja se voi toimia 256 kvanttipisteen, eli “qubitin”, kanssa. Qubitit ovat olennaisia kvanttitietokoneiden toiminnalle, ja ne ovat niiden laskentatehon lähde.

Uusi kehitys tuo meidät lähemmäs suurten mittakaavojen kvanttilaitteiden saavuttamista, joita voidaan käyttää saavuttamaan syvä ymmärrys monimutkaisista kvanttiprosesseista. Ne voivat myös olla merkittäviä vaikutuksia aloilla, kuten materiaalitieteessä, tietoliikenneteknologioissa, rahoituksessa ja muissa aloissa, jotka kohtaavat tällä hetkellä tutkimuksellisia esteitä.

Tutkimus julkaistiin 9. heinäkuuta Nature-julkaisussa.

Alaa eteenpäin

Mikhail Lukin on George Vasmer Leverettin fysiikan professori ja Harvard Quantum Initiatives -ohjelman johtaja. Hän on myös yksi tutkimuksen vanhemmista tekijöistä.

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

Sepehr Ebadi on fysiikan opiskelija Graduate School of Arts and Sciences -korkeakoulussa ja tutkimuksen päätekijä.

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 kehittymisen. Qubitien määrän kasvattaminen voi auttaa järjestelmää tallentamaan ja prosessoimaan eksponentiaalisesti enemmän tietoa kuin klassiset bitit, joita standarditietokoneet käyttävät.

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

Simulaattori on mahdollistanut tutkijoille eksotiisten kvanttitilojen havaitsemisen, sekä kvanttivaiheen siirtymän tutkimuksen, joka oli erittäin tarkin ja osoitti, miten magnetismi toimii kvantitasolla.

Tutkijoiden mukaan nämä kokeet voivat auttaa tutkijoita oppimaan, miten suunnitella uusia materiaaleja eksotiilisilla ominaisuuksilla.

Uusi järjestelmä

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

Tämä järjestelmä mahdollistaa atomeja koota kahdenulotteisiksi optisten pinsetien joukoiksi, mikä on laser-säteiden nimitys. Tämä mahdollistaa saavutettavan järjestelmän koon kasvattamisen 51:stä 256 qubitiin. Tutkijat voivat sitten käyttää pinsettejä atomeja järjestämään virheettömiin malleihin ja luoda ohjelmoitavat muodot, mikä mahdollistaa erilaiset interaktiot qubitien välillä.

“Tämän uuden alustan työhevonen on laite, jota kutsutaan spatiaaliseksi valo modulaattoriksi, jota käytetään optisen aaltorintaman muotoiluun, jotta voidaan tuottaa satoja yksilöllisesti kohdistettuja optisia pinsetti-säteitä”, Ebadi sanoi. “Nämä laitteet ovat olennaisesti samanlaisia kuin mitä käytetään tietokoneen projektorissa näyttämään kuvia ruudulla, mutta olemme soveltaneet niitä kvanttitietokonesimulaattorin kriittiseksi osaksi.”

Atomiin ladataan aluksi optisiin pinsetteihin satunnaisesti ennen kuin tutkijat siirtävät atomeja ja järjestävät ne kohdegeometrioiksi. Toisen sarjan liikkuvia optisia pinsettejä käytetään atomeja vetämään haluttuihin sijainteihin, mikä poistaa alkuperäisen satunnaisuuden. Laserit antavat tutkijoille täydellisen hallinnan atomeja ja niiden koherentin kvanttimekaanisen manipuloinnin osalta.

Tout Wang on fysiikan tutkija Harvardissa ja yksi tutkimuksen tekijöistä.

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

Tutkijaryhmä työskentelee parhaillaan järjestelmän parantamiseksi parantamalla laserin hallintaa qubiteja kohtaan, sekä tekemällä järjestelmästä ohjelmoitavamman. Tutkijoiden mukaan mahdollisia sovelluksia ovat eksotiisten kvanttimateriaalien tutkiminen ja todellisten ongelmien ratkaiseminen, jotka voidaan koodata luonnollisesti qubiteille.

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