Fysikere utvikler spesial kvantecomputer med 256 qubits

I et større gjennombrudd innen kvantecomputing har et team av fysikere fra Harvard-MIT-senteret for ultrakalde atomer og andre universiteter skapt en spesial type kvantecomputer. Dette systemet kalles en programmerbar kvantesimulator, og det kan operere med 256 kvantebiter, eller “qubits”. Qubits er grunnleggende for driften av kvantecomputere, og de er kilden 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 materialvitenskap, kommunikasjonsteknologi, finans og andre felt som for tiden møter barrierer i forskning.

Forskningen ble publisert 9. juli i Nature.

Pushing the Field Forward

Mikhail Lukin er George Vasmer Leverett-professor i fysikk og meddirektør for Harvard Quantum Initiative. Han er også en av de seniorforfatterne av studien.

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

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

Ifølge Ebadi er systemets største egenskaper størrelsen og programmerbarheten, som gjør det til ett av de beste systemene rundt. Det kan utnytte egenskapene til materie på ekstremt små skalaer, som muliggjør å øke prosesseringskraften. En økning i qubits kan hjelpe systemet å lagre og prosessere eksponentielt mer informasjon enn klassiske biter, som standard datamaskiner avhenger av.

“Antallet kvantetilstander som er mulig med bare 256 qubits overstiger antallet 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 nøyaktig 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 vesentlig oppgradert denne gangen. Den kunne nå en størrelse på 51 qubits 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 array av individuelt fokuserte laserstråler.

Dette systemet tillater at atomer kan samles i to-dimensjonale arrayer av optiske pincetter, som er navnet på laserstrålene. Dette muliggjør at systemstørrelsen kan økes fra 51 til 256 qubits. Forskerne kan deretter bruke pincettene til å ordne atomene i feilfrie mønster og skape programmerbare former, som muliggjør forskjellige interaksjoner mellom qubits.

“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 de samme som de som brukes i en datamaskinprosjektor for 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 flytende optiske pincetter brukes deretter til å dra atomene til deres ønskede posisjoner, som eliminerer den innledende tilfeldigheten. Lasere tillater forskerne å ta full kontroll over plasseringen av de atomiske qubits og deres kohente kvantemanipulasjon.

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

“Vårt arbeid er en del av en virkelig intens, høyprofil global kappløp for å bygge større og bedre kvantecomputere,” sa Wang. “Den totale innsatsen [utenfor vår egen] har topp akademiske forskningsinstitusjoner involvert og stor privat sektor-investering fra Google (GOOGL ), IBM, Amazon (AMZN ) og mange andre.”

Teamet arbeider nå med å forbedre systemet ved å forbedre laserkontrollen over qubits, 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 naturlig kodifies på qubits.

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