Fizycy opracowali specjalny komputer kwantowy z 256 qubitami

W tym, co jest znaczącym postępem w dziedzinie komputerów kwantowych, zespół fizyków z Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms i innych uniwersytetów stworzył specjalny typ komputera kwantowego. Ten system nazywa się programowalnym symulatorem kwantowym i może działać z 256 kwantowymi bitami, czyli „qubitami”. Qubity są podstawą działania komputerów kwantowych i są źródłem ich mocy obliczeniowej.

Nowy rozwój przybliża nas do osiągnięcia dużych maszyn kwantowych, które mogą być wykorzystane do uzyskania głębokiej wiedzy na temat złożonych procesów kwantowych. Mogą one również mieć znaczące implikacje w dziedzinach takich jak nauka o materiałach, technologie komunikacyjne, finanse i inne, które obecnie napotykają bariery w badaniach.

Badanie zostało opublikowane 9 lipca w Nature.

Pchnięcie pola do przodu

Mikhail Lukin jest profesorem fizyki i współdyrektorem Harvard Quantum Initiative. Jest również jednym z głównych autorów badania.

“To przenosi pole do nowej dziedziny, w której nikt jeszcze nie był,” powiedział Lukin. “Wkraczamy w całkowicie nową część świata kwantowego.”

Sepehr Ebadi jest studentem fizyki w Graduate School of Arts and Sciences i głównym autorem badania.

Według Ebadi, największe zalety systemu to jego rozmiar i programowalność, co sprawia, że jest to jeden z najlepszych systemów wokół. Może on wykorzystywać właściwości materii na ekstremalnie małych skalach, co pozwala mu na zwiększenie mocy obliczeniowej. Zwiększenie qubitów może pomóc systemowi przechowywać i przetwarzać wykładniczo więcej informacji niż klasyczne bity, na których opierają się standardowe komputery.

“Liczba stanów kwantowych, które są możliwe z tylko 256 qubitami, przekracza liczbę atomów w układzie słonecznym,” powiedział Ebadi.

Symulator umożliwił naukowcom obserwację egzotycznych stanów kwantowych materii, a także przeprowadzenie studium przejścia fazowego kwantowego, które było niezwykle precyzyjne i pokazało, jak działa magnetyzm na poziomie kwantowym.

Według naukowców, te eksperymenty mogą pomóc w nauce, jak projektować nowe materiały o egzotycznych właściwościach.

Nowy system

Projekt opiera się na platformie opracowanej w 2017 roku przez naukowców, ale została ona znacząco ulepszona tym razem. Była w stanie osiągnąć rozmiar 51 qubitów w przeszłości i umożliwiła naukowcom przechwytywanie ultra-zimnych atomów rubidu i układanie ich w określonej kolejności za pomocą jednowymiarowej tablicy indywidualnie skupionych wiązek laserowych.

Ten system pozwala na montaż atomów w dwuwymiarowych tablicach optycznych pinzet, co jest nazwą wiązek laserowych. Umożliwia to zwiększenie rozmiaru systemu z 51 do 256 qubitów. Naukowcy mogą następnie użyć pinzet do układania atomów w wzorach bez wad i tworzenia programowalnych kształtów, co umożliwia różne interakcje między qubitami.

“Głównym elementem tej nowej platformy jest urządzenie zwane modulatorem światła przestrzennego, które służy do kształtowania falowej przedniej części światła, aby wytworzyć setki indywidualnie skupionych wiązek optycznych pinzet,” powiedział Ebadi. “Te urządzenia są podstawowo takie same jak te, które są używane w projektorach komputerowych do wyświetlania obrazów na ekranie, ale dostosowaliśmy je, aby były krytycznym składnikiem naszego symulacji kwantowej.”

Atomy są najpierw ładowane do optycznych pinzet losowo, zanim naukowcy przenoszą atomy i układają je w docelowych geometriach. Drugi zestaw ruchomych optycznych pinzet jest następnie używany do przeciągania atomów do ich pożądanych lokalizacji, co eliminuje początkowy losowy charakter. Lasery pozwalają naukowcom na pełną kontrolę nad pozycjonowaniem atomowych qubitów i ich spójną manipulacją kwantową.

Tout Wang jest asystentem badawczym fizyki na Harvardzie i jednym z autorów artykułu.

“Nasza praca jest częścią bardzo intensywnej, wysoko-widocznej globalnej rywalizacji w budowaniu większych i lepszych komputerów kwantowych,” powiedział Wang. “Całkowity wysiłek [poza naszym] obejmuje najlepsze instytucje badawcze i znaczące inwestycje sektora prywatnego od Google (GOOGL ), IBM, Amazon (AMZN ) i wielu innych.”

Zespół obecnie pracuje nad ulepszaniem systemu poprzez poprawę kontroli laserowej nad qubitami, a także czyniąc system bardziej programowalnym. Według naukowców, możliwe zastosowania obejmują badanie egzotycznych form materii kwantowej i rozwiązywanie problemów świata rzeczywistego, które mogą być naturalnie zakodowane na qubitach.

“To umożliwia ogromną liczbę nowych kierunków naukowych,” powiedział Ebadi. “Jesteśmy jeszcze daleko od granic tego, co można zrobić z tymi systemami.”