Физики разрабатывают специальный квантовый компьютер с 256 кубитами

В значительном прорыве в области квантовых вычислений команда физиков из Центра ультрахолодных атомов Гарварда и Массачусетского технологического института и других университетов создала специальный тип квантового компьютера. Эта система называется программируемым квантовым симулятором, и она может работать с 256 квантовыми битами, или “кубитами”. Кубиты являются фундаментальными для работы квантовых компьютеров, и они являются источником их вычислительной мощности.

Это новое развитие приближает нас к достижению крупномасштабных квантовых машин, которые могут быть использованы для получения глубокого понимания сложных квантовых процессов. Они также могут иметь серьезные последствия в областях, таких как материаловедение, коммуникационные технологии, финансы и многие другие, которые в настоящее время сталкиваются с барьерами в исследованиях.

Исследование было опубликовано 9 июля в Nature.

Продвижение вперед в области

Михаил Лукин является профессором физики Джорджа Васмера Леверетта и со-директором Гарвардской квантовой инициативы. Он также является одним из старших авторов исследования.

“Это перемещает область в новую область, где никто еще не был до сих пор”, – сказал Лукин. “Мы входим в совершенно новую часть квантового мира”.

Сепехр Эбади является студентом-физиком в Высшей школе искусств и наук и ведущим автором исследования.

По словам Эбади, самыми большими особенностями системы являются ее размер и программируемость, что делает ее одной из лучших систем. Она может использовать свойства вещества на чрезвычайно малых масштабах, что позволяет ей повысить вычислительную мощность. Увеличение количества кубитов может помочь системе хранить и обрабатывать экспоненциально больше информации, чем классические биты, на которых полагаются стандартные компьютеры.

“Количество квантовых состояний, возможных с только 256 кубитами, превышает количество атомов в солнечной системе”, – сказал Эбади.

Симулятор позволил исследователям наблюдать экзотические квантовые состояния вещества, а также провести исследование квантового фазового перехода, которое было чрезвычайно точным и продемонстрировало, как работает магнетизм на квантовом уровне.

По словам исследователей, эти эксперименты могут помочь ученым узнать, как проектировать новые материалы с экзотическими свойствами.

Новая система

Проект основан на платформе, разработанной в 2017 году исследователями, но она была значительно улучшена на этот раз. Она была способна достигать размера 51 кубита в прошлом, и она позволяла исследователям захватить ультрахолодные рубидиевые атомы и расположить их в определенном порядке с помощью одномерного массива индивидуально фокусированных лазерных лучей.

Эта система позволяет атомам собираться в двумерные массивы оптических пинцетов, что является названием для лазерных лучей. Это позволяет увеличить достижимый размер системы с 51 до 256 кубитов. Исследователи могут затем использовать пинцеты, чтобы расположить атомы в бездефектных узорах и создать программируемые формы, что позволяет различным взаимодействиям между кубитами.

“Рабочая лошадка этой новой платформы – устройство, называемое пространственным модулятором света, которое используется для формирования оптической волны для производства сотен индивидуально фокусированных оптических пинцетов”, – сказал Эбади. “Эти устройства по сути являются теми же, что используются внутри компьютерного проектора для отображения изображений на экране, но мы адаптировали их, чтобы они стали критическим компонентом нашего квантового симулятора”.

Атомы сначала загружаются в оптические пинцеты случайным образом, прежде чем исследователи перемещают атомы и располагают их в целевых геометриях. Второй набор движущихся оптических пинцетов затем используется для перетаскивания атомов в их желаемые места, что устраняет первоначальную случайность. Лазеры позволяют исследователям полностью контролировать положение атомных кубитов и их когерентное квантовое манипулирование.

Тут Ван является исследователем-физиком в Гарварде и одним из авторов статьи.

“Наша работа является частью действительно интенсивной, высокопрофильной глобальной гонки за построение больших и лучших квантовых компьютеров”, – сказал Ван. “Общая работа [за пределами нашей] включает в себя лучшие академические исследовательские учреждения и крупные частные инвестиции от Google, IBM, Amazon и многих других”.

Команда сейчас работает над улучшением системы, улучшая контроль лазера над кубитами, а также делая систему более программируемой. По словам исследователей, возможные применения включают изучение экзотических форм квантового вещества и решение реальных проблем, которые могут быть естественно закодированы на кубитах.

“Эта работа позволяет огромному количеству новых научных направлений”, – сказал Эбади. “Мы еще не достигли пределов того, что можно сделать с этими системами”.