Fizicienii Dezvoltă Un Calculator Cuantic Special Cu 256 Qubite

În ceea ce reprezintă o avansare majoră în calculul cuantic, o echipă de fizicieni de la Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms și de la alte universități au creat un tip special de calculator cuantic. Acest sistem se numește simulator cuantic programabil și poate funcționa cu 256 de biți cuantici, sau „qubite.” Qubitele sunt fundamentale pentru funcționarea calculatoarelor cuantice și sunt sursa puterii lor de procesare.

Noua dezvoltare ne apropie de realizarea unor mașini cuantice la scară largă, care ar putea fi utilizate pentru a obține o înțelegere profundă a proceselor cuantice complexe. De asemenea, acestea ar putea avea implicații majore în domenii precum știința materialelor, tehnologiile de comunicare, finanțele și multe altele care se confruntă în prezent cu bariere în cercetare.

Cercetarea a fost publicată pe 9 iulie în Nature. 

Împingerea domeniului înainte

Mikhail Lukin este profesor de fizică George Vasmer Leverett și co-director al Inițiativei Cuantice Harvard. El este, de asemenea, unul dintre autorii seniori ai studiului.

“Acest lucru mută domeniul într-un nou domeniu în care nimeni nu a fost până acum,” a spus Lukin. “Intrăm într-o parte complet nouă a lumii cuantice.”

Sepehr Ebadi este student de fizică la Școala de Arte și Științe și autorul principal al studiului.

Conform lui Ebadi, caracteristicile principale ale sistemului sunt mărimea și programabilitatea, ceea ce îl face unul dintre cele mai bune sisteme din jur. Acesta poate valorifica proprietățile materiei la scară foarte mică, ceea ce îi permite să avanseze puterea de procesare. O creștere a numărului de qubite poate ajuta sistemul să stocheze și să proceseze o cantitate exponențial mai mare de informații decât biții clasici, pe care se bazează calculatoarele standard.

“Numărul de stări cuantice posibile cu doar 256 de qubite depășește numărul de atomi din sistemul solar,” a spus Ebadi.

Simulatorul a permis cercetătorilor să observe stări exotice cuantice ale materiei, precum și să efectueze o studiu de tranziție cuantică, care a fost extrem de precis și a demonstrat cum funcționează magnetismul la nivel cuantic.

Conform cercetătorilor, aceste experimente ar putea ajuta oamenii de știință să învețe cum să proiecteze materiale noi cu proprietăți exotice.

Noul sistem

Proiectul se bazează pe o platformă dezvoltată în 2017 de către cercetători, dar a fost actualizată semnificativ de data aceasta. Acesta a fost capabil să ajungă la o mărime de 51 de qubite în trecut și a permis cercetătorilor să captureze atomi de rubidiu ultra-rece și să îi aranjeze într-o ordine specifică prin utilizarea unui șir unidimensional de fascicule laser focalizate individual.

Acest sistem permite atomilor să fie asamblați în matrice bidimensionale de tweezere optice, care este numele dat fasciculelor laser. Acest lucru permite mărirea dimensiunii sistemului de la 51 la 256 de qubite. Cercetătorii pot apoi utiliza tweezerele pentru a aranja atomii în modele fără defecte și pentru a crea forme programabile, ceea ce permite interacțiuni diferite între qubite.

“Atelierul acestui nou sistem este un dispozitiv numit modulator de lumină spațială, care este utilizat pentru a modela un front de undă optică pentru a produce sute de fascicule de tweezere optice focalizate individual,” a spus Ebadi. “Aceste dispozitive sunt esențialmente la fel ca cele utilizate în interiorul unui proiector de calculator pentru a afișa imagini pe un ecran, dar le-am adaptat pentru a fi o componentă critică a simulatorului nostru cuantic.”

Atomii sunt încărcați inițial în tweezerele optice în mod aleatoriu, înainte ca cercetătorii să mute atomii și să îi aranjeze în geometrii țintă. Un al doilea set de tweezere optice mobile este apoi utilizat pentru a trage atomii în locurile dorite, ceea ce elimină aleatoritatea inițială. Laserul permite cercetătorilor să aibă control deplin asupra poziționării qubitilor atomici și asupra manipulării lor cuantice coerente.

Tout Wang este asistent de cercetare în fizică la Harvard și unul dintre autorii articolului.

“Lucrarea noastră face parte dintr-o cursă globală foarte intensă și vizibilă pentru a construi calculatoare cuantice mai mari și mai bune,” a spus Wang. “Efortul general [dincolo de al nostru] implică instituții academice de top și o investiție privată majoră din partea Google, IBM, Amazon și multe altele.”

Echipa lucrează acum la îmbunătățirea sistemului prin îmbunătățirea controlului laser asupra qubitilor, precum și prin creșterea programabilității sistemului. Conform cercetătorilor, aplicațiile posibile includ sonde pentru forme exotice de materie cuantică și rezolvarea problemelor din lumea reală care pot fi codificate în mod natural pe qubite.

“Această lucrare permite o mulțime de noi direcții științifice,” a spus Ebadi. “Suntem departe de limitele a ceea ce poate fi făcut cu aceste sisteme.”