Fysici ontwikkelen speciale quantumcomputer met 256 qubits

In een belangrijke doorbraak op het gebied van quantumcomputing hebben een team van fysici van het Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms en andere universiteiten een speciaal type quantumcomputer gemaakt. Dit systeem wordt een programmeerbare quantum simulator genoemd en kan werken met 256 quantum bits, of “qubits”. Qubits zijn essentieel voor de werking van quantumcomputers en zijn de bron van hun verwerkingskracht.

De nieuwe ontwikkeling brengt ons dichter bij het bereiken van grootschalige quantum machines, die kunnen worden gebruikt om diepgaande inzichten te verkrijgen in complexe quantumprocessen. Ze kunnen ook grote gevolgen hebben in gebieden zoals materiaalkunde, communicatietechnologie, financiën en verschillende andere die momenteel barrières in onderzoek tegenkomen.

Het onderzoek werd op 9 juli gepubliceerd in Nature. 

Het veld naar voren duwen

Mikhail Lukin is de George Vasmer Leverett Professor of Physics en co-director van de Harvard Quantum Initiative. Hij is ook een van de senior auteurs van de studie.

“Dit brengt het veld naar een nieuw domein waar nog nooit iemand is geweest”, zei Lukin. “We betreden een compleet nieuw deel van de quantumwereld.”

Sepehr Ebadi is een natuurkundestudent in de Graduate School of Arts and Sciences en de hoofdauteur van de studie.

Volgens Ebadi zijn de grootste kenmerken van het systeem zijn grootte en programmeerbaarheid, waardoor het een van de beste systemen is. Het kan de eigenschappen van materie op extreem kleine schaal benutten, waardoor het de verwerkingskracht kan verbeteren. Een toename van qubits kan het systeem helpen om exponentieel meer informatie op te slaan en te verwerken dan klassieke bits, waarop standaardcomputers vertrouwen.

“Het aantal quantumtoestanden dat mogelijk is met slechts 256 qubits overschrijdt het aantal atomen in het zonnestelsel”, zei Ebadi.

De simulator heeft onderzoekers in staat gesteld om exotische quantumtoestanden van materie te observeren, evenals een studie over een quantumfaseovergang uit te voeren, die extreem nauwkeurig was en aantoonde hoe magnetisme werkt op het quantumniveau.

Volgens de onderzoekers kunnen deze experimenten helpen om wetenschappers te leren hoe ze nieuwe materialen met exotische eigenschappen kunnen ontwerpen.

Het nieuwe systeem

Het project is gebaseerd op een platform dat in 2017 door de onderzoekers is ontwikkeld, maar het is deze keer aanzienlijk verbeterd. Het was eerder in staat om een grootte van 51 qubits te bereiken en stelde de onderzoekers in staat om ultra-koude rubidiumatomen te vangen en ze in een specifieke volgorde te arrangeren met behulp van een eendimensionale array van individueel gefocusseerde laserstralen. 

Dit systeem stelt atomen in staat om te worden geassembleerd in tweedimensionale arrays van optische pincetten, wat de naam is voor de laserstralen. Dit maakt het mogelijk om de systeemgrootte te vergroten van 51 tot 256 qubits. De onderzoekers kunnen vervolgens de pincetten gebruiken om de atomen in foutloze patronen te arrangeren en programmeerbare vormen te creëren, waardoor verschillende interacties tussen de qubits mogelijk worden.

“Het werkpaard van dit nieuwe platform is een apparaat genaamd de spatial light modulator, dat wordt gebruikt om een optische golf te vormen om honderden individueel gefocusseerde optische pincetten te produceren”, zei Ebadi. “Deze apparaten zijn eigenlijk hetzelfde als wat wordt gebruikt in een computerprojector om afbeeldingen op een scherm weer te geven, maar we hebben ze aangepast om een kritisch onderdeel van onze quantum simulator te zijn.”

De atomen worden eerst willekeurig in de optische pincetten geladen voordat de onderzoekers de atomen rond bewegen en ze in doelgeometrieën arrangeren. Een tweede set bewegende optische pincetten wordt vervolgens gebruikt om de atomen naar hun gewenste locaties te slepen, waardoor de initiële willekeurigheid wordt geëlimineerd. De lasers stellen de onderzoekers in staat om volledige controle te hebben over de positie van de atomaire qubits en hun coherente quantummanipulatie.

Tout Wang is een onderzoeksmedewerker in de natuurkunde aan Harvard en een van de auteurs van het artikel.

“Ons werk maakt deel uit van een echt intens, zichtbaar wereldwijd race om grotere en betere quantumcomputers te bouwen”, zei Wang. “De algehele inspanning [buiten onze eigen] heeft topacademische onderzoeksinstellingen en grote particuliere investeringen van Google, IBM, Amazon en vele anderen.”

Het team werkt nu aan het verbeteren van het systeem door de lasercontrole over qubits te verbeteren, evenals het systeem meer programmeerbaar te maken. Volgens de onderzoekers zijn mogelijke toepassingen het onderzoeken van exotische vormen van quantum materie en het oplossen van real-world problemen die natuurlijk op de qubits kunnen worden gecodeerd.

“Dit werk maakt een groot aantal nieuwe wetenschappelijke richtingen mogelijk”, zei Ebadi. “We zijn nergens in de buurt van de limieten van wat kan worden gedaan met deze systemen.”