Fizycy opracowali specjalny komputer kwantowy z 256 qubitami

W tym, co jest znaczącym postępem w dziedzinie komputingu kwantowego, 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 podstawowe dla działania komputerów kwantowych i są źródłem ich mocy obliczeniowej.

Nowy rozwój przybliża nas do osiągnięcia dużych maszyn kwantowych, które mogą być użyte 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 on również jednym z głównych autorów badania.

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

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

Według Ebadi, największe cechy 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 polegają standardowe komputery.

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

Symulator pozwolił badaczom obserwować egzotyczne stany kwantowe materii, a także przeprowadzić badanie przejścia fazowego kwantowego, które było niezwykle precyzyjne i pokazało, jak działa magnetyzm na poziomie kwantowym.

Według badaczy, te eksperymenty mogą pomóc naukowcom nauczyć się, jak projektować nowe materiały o egzotycznych właściwościach.

Nowy system

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

Ten system pozwala atomom być złożonymi w dwuwymiarowe tablice optycznych pinczetów, co jest nazwą dla wiązek laserowych. To umożliwia zwiększenie rozmiaru systemu z 51 do 256 qubitów. Badacze mogą następnie użyć pinczetów, aby ułożyć atomy w wzorach bez wad i utworzyć programowalne kształty, co umożliwia różne interakcje między qubitami.

“Głównym elementem tej nowej platformy jest urządzenie zwane modulatorem światła przestrzennego, które jest używane do kształtowania optycznego frontu fali w celu wytworzenia setek indywidualnie skupionych wiązek optycznych pinczetów”, powiedział Ebadi. “Te urządzenia są podstawowo takie same jak te, które są używane w projektorze komputerowym do wyświetlania obrazów na ekranie, ale zaadaptowaliśmy je, aby stały się kluczowym elementem naszego symulacji kwantowego”.

Atomy są najpierw ładowane do optycznych pinczetów losowo, zanim badacze przenoszą atomy i ułożą je w docelowych geometriach. Drugi zestaw ruchomych optycznych pinczetów jest następnie używany do przeciągania atomów do ich pożądanych lokalizacji, co eliminuje początkowy losowy charakter. Lasery pozwalają badaczom 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 intensywnego, wysoko-widocznego globalnego wyścigu, aby zbudować większe i lepsze komputery kwantowe”, powiedział Wang. “Cały wysiłek [poza naszym] obejmuje topowe instytucje badawcze i duże inwestycje sektora prywatnego od Google, IBM, Amazon i wielu innych”.

Zespół obecnie pracuje nad ulepszeniem systemu poprzez poprawę kontroli laserowej nad qubitami, a także uczynienie systemu bardziej programowalnym. Według badaczy, możliwe zastosowania obejmują badanie egzotycznych form materii kwantowej i rozwiązywanie rzeczywistych problemów, które mogą być naturalnie zakodowane na qubitach.

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