Fisici sviluppano un computer quantistico speciale con 256 qubit

In quello che è un grande progresso nel campo dell’elaborazione quantistica, un team di fisici del Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms e di altre università hanno creato un tipo speciale di computer quantistico. Questo sistema si chiama simulatore quantistico programmabile e può operare con 256 bit quantistici, o “qubit”. I qubit sono fondamentali per il funzionamento dei computer quantistici e sono la fonte della loro potenza di elaborazione.

Il nuovo sviluppo ci avvicina all’obiettivo di realizzare macchine quantistiche su larga scala, che potrebbero essere utilizzate per ottenere una profonda comprensione dei processi quantistici complessi. Potrebbero anche avere importanti implicazioni in campi come la scienza dei materiali, le tecnologie di comunicazione, la finanza e molti altri che attualmente affrontano barriere nella ricerca.

La ricerca è stata pubblicata il 9 luglio su Nature. 

Spingendo il campo in avanti

Mikhail Lukin è il professore di fisica George Vasmer Leverett e co-direttore dell’iniziativa quantistica di Harvard. È anche uno degli autori senior dello studio.

“Questo sposta il campo in un nuovo dominio in cui nessuno è mai stato fino ad ora”, ha detto Lukin. “Stiamo entrando in una parte completamente nuova del mondo quantistico”.

Sepehr Ebadi è uno studente di fisica alla Graduate School of Arts and Sciences e l’autore principale dello studio.

Secondo Ebadi, le caratteristiche più grandi del sistema sono la sua dimensione e la programmabilità, che lo rendono uno dei migliori sistemi attorno. Può sfruttare le proprietà della materia a scale estremamente piccole, il che gli consente di aumentare la potenza di elaborazione. Un aumento dei qubit può aiutare il sistema a memorizzare e elaborare esponenzialmente più informazioni rispetto ai bit classici, su cui si basano i computer standard.

“Il numero di stati quantistici possibili con solo 256 qubit supera il numero di atomi nel sistema solare”, ha detto Ebadi.

Il simulatore ha consentito ai ricercatori di osservare stati quantistici esotici della materia, nonché di eseguire uno studio di transizione di fase quantistica, che è stato estremamente preciso e ha dimostrato come funziona il magnetismo a livello quantistico.

Secondo i ricercatori, questi esperimenti potrebbero aiutare gli scienziati a imparare come progettare nuovi materiali con proprietà esotiche.

Il nuovo sistema

Il progetto si basa su una piattaforma sviluppata nel 2017 dai ricercatori, ma è stata notevolmente migliorata questa volta. Era in grado di raggiungere una dimensione di 51 qubit in passato e ha consentito ai ricercatori di catturare atomi di rubidio ultrafreddi e di disporli in un ordine specifico attraverso l’uso di un array unidimensionale di fasci laser individualmente focalizzati. 

Questo sistema consente di assemblare gli atomi in array bidimensionali di pinzette ottiche, che è il nome dei fasci laser. Ciò consente di aumentare la dimensione del sistema da 51 a 256 qubit. I ricercatori possono quindi utilizzare le pinzette per disporre gli atomi in modelli senza difetti e creare forme programmabili, il che consente diverse interazioni tra i qubit.

“Il cavallo di battaglia di questa nuova piattaforma è un dispositivo chiamato modulatore di luce spaziale, che viene utilizzato per modellare un’onda luminosa per produrre centinaia di fasci di pinzette ottiche individualmente focalizzati”, ha detto Ebadi. “Questi dispositivi sono essenzialmente gli stessi utilizzati all’interno di un proiettore di computer per visualizzare immagini su uno schermo, ma li abbiamo adattati per essere un componente critico del nostro simulatore quantistico”.

Gli atomi vengono caricati nelle pinzette ottiche in modo casuale prima che i ricercatori li spostino e li dispongano in geometrie bersaglio. Un secondo set di pinzette ottiche mobili viene quindi utilizzato per trascinare gli atomi nelle loro posizioni desiderate, eliminando la casualità iniziale. I laser consentono ai ricercatori di avere il pieno controllo sulla posizione dei qubit atomici e sulla loro manipolazione quantistica coerente.

Tout Wang è un associato di ricerca in fisica a Harvard e uno degli autori del documento.

“Il nostro lavoro fa parte di una gara globale molto intensa e ad alta visibilità per costruire computer quantistici più grandi e migliori”, ha detto Wang. “L’intero sforzo [al di là del nostro] coinvolge le principali istituzioni di ricerca accademiche e gli investimenti del settore privato di Google, IBM, Amazon e molti altri”.

Il team sta ora lavorando per migliorare il sistema migliorando il controllo laser sui qubit, nonché rendendo il sistema più programmabile. Secondo i ricercatori, le possibili applicazioni includono la ricerca di forme esotiche di materia quantistica e la risoluzione di problemi del mondo reale che possono essere naturalmente codificati sui qubit.

“Questo lavoro consente un vasto numero di nuove direzioni scientifiche”, ha detto Ebadi. “Non siamo nemmeno vicini ai limiti di ciò che può essere fatto con questi sistemi”.