Fisikawan Mengembangkan Komputer Kuantum Khusus Dengan 256 Qubit

Dalam kemajuan besar dalam komputasi kuantum, tim fisikawan dari Pusat Atom Ultracold Harvard-MIT dan universitas lain telah menciptakan jenis komputer kuantum khusus. Sistem ini disebut simulator kuantum yang dapat diprogram, dan dapat beroperasi dengan 256 bit kuantum, atau “qubit.” Qubit sangat penting untuk operasi komputer kuantum, dan mereka adalah sumber kekuatan pemrosesannya.

Pengembangan baru ini membawa kita lebih dekat untuk mencapai mesin kuantum skala besar, yang dapat digunakan untuk memperoleh wawasan mendalam tentang proses kuantum yang kompleks. Mereka juga dapat memiliki implikasi besar dalam bidang seperti ilmu bahan, teknologi komunikasi, keuangan, dan berbagai bidang lain yang saat ini menghadapi hambatan dalam penelitian.

Penelitian ini diterbitkan pada 9 Juli di Nature.

Mendorong Bidang ke Depan

Mikhail Lukin adalah Profesor Fisika George Vasmer Leverett dan ko-direktur Inisiatif Kuantum Harvard. Ia juga salah satu penulis senior studi ini.

“Ini memindahkan bidang ke domain baru di mana tidak ada yang pernah pergi sebelumnya,” kata Lukin. “Kami memasuki bagian kuantum yang sama sekali baru.”

Sepehr Ebadi adalah mahasiswa fisika di Sekolah Pascasarjana Seni dan Ilmu Pengetahuan dan penulis utama studi ini.

Menurut Ebadi, fitur terbesar sistem ini adalah ukurannya dan kemampuan pemrogramannya, yang membuatnya salah satu sistem terbaik di sekitar. Ini dapat memanfaatkan sifat benda pada skala yang sangat kecil, yang memungkinkan untuk meningkatkan kekuatan pemrosesan. Peningkatan qubit dapat membantu sistem menyimpan dan memproses jumlah informasi yang jauh lebih besar daripada bit klasik, yang digunakan oleh komputer standar.

“Jumlah keadaan kuantum yang mungkin dengan hanya 256 qubit melebihi jumlah atom di sistem tata surya,” kata Ebadi.

Simulator ini telah memungkinkan peneliti untuk mengamati keadaan kuantum benda yang eksotis, serta melakukan studi transisi fase kuantum, yang sangat presisi dan menunjukkan bagaimana magnetisme bekerja pada tingkat kuantum.

Menurut peneliti, eksperimen ini dapat membantu ilmuwan mempelajari cara merancang bahan baru dengan sifat eksotis.

Sistem Baru

Proyek ini bergantung pada platform yang dikembangkan pada 2017 oleh peneliti, tetapi ditingkatkan secara signifikan kali ini. Ini dapat mencapai ukuran 51 qubit di masa lalu, dan memungkinkan peneliti untuk menangkap atom rubidium ultra-dingin dan mengatur mereka dalam urutan tertentu melalui penggunaan array satu dimensi berkas laser yang difokuskan secara individual.

Sistem ini memungkinkan atom untuk disusun dalam array dua dimensi cakar optik, yang merupakan nama untuk berkas laser. Ini memungkinkan ukuran sistem yang dapat dicapai untuk meningkat dari 51 menjadi 256 qubit. Peneliti kemudian dapat menggunakan cakar untuk mengatur atom dalam pola tanpa cacat dan menciptakan bentuk yang dapat diprogram, yang memungkinkan interaksi yang berbeda antara qubit.

“Kuda pekerja dari platform baru ini adalah perangkat yang disebut modulator cahaya spasial, yang digunakan untuk membentuk gelombang optik untuk menghasilkan ratusan berkas cakar optik yang difokuskan secara individual,” kata Ebadi. “Perangkat ini pada dasarnya sama dengan yang digunakan di dalam proyektor komputer untuk menampilkan gambar di layar, tetapi kami telah menyesuaikannya untuk menjadi komponen kritis dari simulator kuantum kami.”

Atom pertama kali dimuat ke dalam cakar optik secara acak sebelum peneliti memindahkan atom dan mengatur mereka dalam geometri target. Set kedua cakar optik yang bergerak kemudian digunakan untuk menarik atom ke lokasi yang diinginkan, yang menghilangkan keacakan awal. Laser memungkinkan peneliti untuk mengontrol sepenuhnya posisi qubit atom dan manipulasi kuantum koheren.

Tout Wang adalah asosiasi penelitian fisika di Harvard dan salah satu penulis makalah.

“Kerja kami adalah bagian dari perlombaan global yang sangat intens dan terlihat untuk membangun komputer kuantum yang lebih besar dan lebih baik,” kata Wang. “Upaya keseluruhan [di luar kami] telah melibatkan lembaga penelitian akademik teratas dan investasi sektor swasta besar dari Google, IBM, Amazon, dan banyak lainnya.”

Tim sekarang bekerja untuk meningkatkan sistem dengan meningkatkan kontrol laser atas qubit, serta membuat sistem lebih dapat diprogram. Menurut peneliti, aplikasi yang mungkin termasuk mempelajari bentuk kuantum benda yang eksotis dan memecahkan masalah dunia nyata yang dapat dikodekan secara alami pada qubit.

“Kerja ini memungkinkan sejumlah besar arah ilmiah baru,” kata Ebadi. “Kami tidak dekat dengan batas apa yang dapat dilakukan dengan sistem ini.”