Fiziki razvili poseben kvantni računalnik z 256 kubiti

V tem, kar je velik napredek na področju kvantnega računalništva, je skupina fizikov iz Centra za ultrahladne atome Harvard-MIT in drugih univerz ustvarila posebno vrsto kvantnega računalnika. Ta sistem se imenuje programabilni kvantni simulator in lahko deluje s 256 kvantnimi biti ali "kubiti". Qubiti so temeljni za delovanje kvantnih računalnikov in so vir njihove procesorske moči.

Nov razvoj nas približuje doseganju obsežnih kvantnih strojev, ki bi jih lahko uporabili za pridobitev globokega vpogleda v kompleksne kvantne procese. Lahko bi imeli tudi velike posledice na področjih, kot so znanost o materialih, komunikacijske tehnologije, finance in različna druga področja, ki se trenutno soočajo z ovirami pri raziskavah.

Raziskava je bila objavljena 9. julija v Narava. 

Potiskamo polje naprej

Mikhail Lukin je profesor fizike Georgea Vasmerja Leveretta in sodirektor Harvardske kvantne pobude. Je tudi eden od starejših avtorjev študije.

"To premakne področje v novo domeno, kjer doslej še nihče ni bil," je dejal Lukin. "Vstopamo v popolnoma nov del kvantnega sveta."

Sepehr Ebadi je študent fizike na Visoki šoli za umetnost in znanost in glavni avtor študije. 

Po besedah ​​Ebadija sta največji lastnosti sistema njegova velikost in možnost programiranja, zaradi česar je eden najboljših sistemov na svetu. Lahko izkoristi lastnosti snovi na izjemno majhnih lestvicah, kar mu omogoča napredovanje procesorske moči. Povečanje števila kubitov lahko pomaga sistemu shraniti in obdelati eksponentno več informacij kot klasični bitovi, na katere se zanašajo standardni računalniki.

"Število kvantnih stanj, ki so možna s samo 256 kubiti, presega število atomov v sončnem sistemu," je dejal Ebadi.

Simulator je raziskovalcem omogočil opazovanje eksotičnih kvantnih stanj snovi ter izvedbo študije kvantnega faznega prehoda, ki je bila izjemno natančna in je pokazala, kako magnetizem deluje na kvantni ravni.

Po mnenju raziskovalcev bi ti poskusi lahko pomagali znanstvenikom, da se naučijo oblikovati nove materiale z eksotičnimi lastnostmi.

Novi sistem

Projekt temelji na platformi, ki so jo raziskovalci razvili leta 2017, a je bila tokrat močno nadgrajena. V preteklosti je bil sposoben doseči velikost 51 kubitov in je raziskovalcem omogočil, da so zajeli ultra-hladne atome rubidija in jih uredili v določenem vrstnem redu z uporabo enodimenzionalnega niza individualno fokusiranih laserskih žarkov. 

Ta sistem omogoča sestavljanje atomov v dvodimenzionalne nize optičnih pincet, kar je ime za laserske žarke. To omogoča, da se dosegljiva velikost sistema poveča z 51 na 256 kubitov. Raziskovalci lahko nato s pinceto uredijo atome v vzorce brez napak in ustvarijo programabilne oblike, kar omogoča različne interakcije med kubiti.

"Delovni konj te nove platforme je naprava, imenovana prostorski modulator svetlobe, ki se uporablja za oblikovanje optične valovne fronte za proizvodnjo na stotine posamično usmerjenih optičnih žarkov pincete," je dejal Ebadi. "Te naprave so v bistvu enake tistim, ki se uporabljajo v računalniškem projektorju za prikazovanje slik na zaslonu, vendar smo jih prilagodili tako, da so kritična komponenta našega kvantnega simulatorja."

Atomi se najprej naključno naložijo v optično pinceto, preden jih raziskovalci premaknejo in razporedijo v ciljne geometrije. Drugi niz premikajočih se optičnih pincet se nato uporabi za vlečenje atomov na njihove želene lokacije, kar odpravi začetno naključnost. Laserji omogočajo raziskovalcem, da prevzamejo popoln nadzor nad pozicioniranjem atomskih kubitov in njihovo koherentno kvantno manipulacijo.

Tout Wang je znanstveni sodelavec fizike na Harvardu in eden od avtorjev prispevka.

"Naše delo je del resnično intenzivne, zelo opazne svetovne tekme za izdelavo večjih in boljših kvantnih računalnikov," je dejal Wang. »V celotno prizadevanje [poleg našega] so vključene vrhunske akademske raziskovalne ustanove in velike naložbe zasebnega sektorja Googla, IBM-a, Amazona in mnogih drugih.«

Ekipa si zdaj prizadeva izboljšati sistem z izboljšanjem laserskega nadzora nad kubiti, pa tudi s tem, da bi bil sistem bolj programabilen. Po mnenju raziskovalcev možne aplikacije vključujejo preiskovanje eksotičnih oblik kvantne snovi in ​​reševanje problemov iz resničnega sveta, ki jih je mogoče naravno kodirati na kubitih.

"To delo omogoča veliko novih znanstvenih smeri," je dejal Ebadi. "Nikoli nismo blizu meja tega, kar je mogoče narediti s temi sistemi."