Fysikere utvikler spesiell kvantecomputer med 256 qubit

I det som er et stort fremsteg i kvantecomputing, har et team av fysikere fra Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms og andre universiteter skapt en spesiell type kvantecomputer. Dette systemet kalles en programmerbar kvantesimulator, og det kan operere med 256 kvantebiter, eller “qubit”. Qubit er grunnleggende for driften av kvantecomputere, og de er kilde til deres prosesseringskraft.

Den nye utviklingen bringer oss nærmere å oppnå store kvantemaskiner, som kan brukes til å få dypt innsikt i komplekse kvanteprosesser. De kan også ha store implikasjoner i felt som materivitenskap, kommunikasjonsteknologi, finans og andre felt som for tiden møter barrierer i forskning.

Forskningen ble publisert 9. juli i Nature. 

Å skyve feltet fremover

Mikhail Lukin er George Vasmer Leverett Professor i fysikk og meddirektør for Harvard Quantum Initiative. Han er også en av de senior forfatterne av studien.

“Dette flytter feltet inn i et nytt domene hvor ingen har vært før,” sa Lukin. “Vi går inn i en helt ny del av kvanteverdenen.”

Sepehr Ebadi er en fysikkstudent ved Graduate School of Arts and Sciences og studiens hovedforfatter. 

Ifølge Ebadi er systemets største egenskaper dens størrelse og programmerbarhet, som gjør det til ett av de beste systemene rundt. Det kan utnytte egenskapene til materie på ekstremt små skalaer, som muliggjør å fremme prosesseringskraft. En økning i qubit kan hjelpe systemet med å lagre og prosessere eksponentielt mer informasjon enn klassiske biter, som standard computere avhenger av.

“Antall kvantetilstander som er mulige med bare 256 qubit overstiger antall atomer i solsystemet,” sa Ebadi.

Simulatoren har gjort det mulig for forskerne å observere eksotiske kvantetilstander av materie, samt å utføre en kvantefasetransisjonsstudie, som var ekstremt presis og viste hvordan magnetisme fungerer på kvantenivå.

Ifølge forskerne kan disse eksperimentene hjelpe vitenskapsmenn å lære hvordan de kan designe nye materialer med eksotiske egenskaper.

Det nye systemet

Prosjektet bygger på en plattform utviklet i 2017 av forskerne, men den ble betydelig oppgradert denne gangen. Den var i stand til å nå en størrelse på 51 qubit tidligere, og den muliggjorde at forskerne kunne fange ultra-kalde rubidium-atomer og ordne dem i en bestemt rekkefølge ved hjelp av en en-dimensjonal rekke av individuelt fokuserte laserstråler. 

Dette systemet gjør det mulig å samle atomer i to-dimensjonale rekker av optiske pincetter, som er navnet på laserstrålene. Dette muliggjør å øke systemstørrelsen fra 51 til 256 qubit. Forskerne kan deretter bruke pincettene til å ordne atomene i feilfrie mønster og skape programmerbare former, som muliggjør forskjellige interaksjoner mellom qubitene.

“Arbeidshesten i denne nye plattformen er en enhet som kalles romlig lysmodulator, som brukes til å forme et optisk bølgefront til å produsere hundrevis av individuelt fokuserte optiske pincettstråler,” sa Ebadi. “Disse enhetene er i realiteten det samme som det som brukes i en dataprojektor til å vise bilder på en skjerm, men vi har tilpasset dem til å være en kritisk komponent i vår kvantesimulator.”

Atomene lastes først inn i de optiske pincettene tilfeldig før forskerne flytter atomene rundt og ordner dem i målgeometrier. En andre sett med flyttbare optiske pincetter brukes deretter til å dra atomene til deres ønskede posisjoner, som eliminerer den innledende tilfeldigheten. Lasere muliggjør at forskerne får full kontroll over posisjonen til de atomiske qubitene og deres kohrente kvantemanipulering.

Tout Wang er en forskningsassistent i fysikk ved Harvard og en av forfatterne av artikkelen.

“Vår arbeid er en del av en virkelig intens, høyprofil global konkurranse om å bygge større og bedre kvantecomputere,” sa Wang. “Den samlede innsatsen [utenfor vår egen] har topptekniske forskningsinstitusjoner involvert og stor privat sektor-investering fra Google, IBM, Amazon og mange andre.”

Teamet arbeider nå med å forbedre systemet ved å forbedre laserkontrollen over qubitene, samt å gjøre systemet mer programmerbart. Ifølge forskerne kan mulige anvendelser inkludere å undersøke eksotiske former for kvantematerie og å løse virkelige problemer som kan bli naturlig kodet på qubitene.

“Dette arbeidet muliggjør en stor mengde nye vitenskapelige retninger,” sa Ebadi. “Vi er ingensteds nær grensene for hva som kan gjøres med disse systemene.”