Fysiker utvecklar specialdator för kvantberäkning med 256 qubit

I vad som är ett stort framsteg inom kvantberäkning har en grupp fysiker från Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms och andra universitet skapat en specialtyp av kvantdator. Detta system kallas en programmerbar kvantsimulator, och den kan fungera med 256 kvantbitar, eller “qubit”. Qubit är grundläggande för driften av kvantdatorer, och de är källan till deras bearbetningskraft.

Den nya utvecklingen bringar oss närmare att uppnå storskaliga kvantmaskiner, som kan användas för att få djup insikt i komplexa kvantprocesser. De kan också ha stora implikationer inom områden som materialvetenskap, kommunikationsteknologi, finans och olika andra områden som för närvarande står inför hinder i forskningen.

Forskningen publicerades den 9 juli i Nature. 

Att driva fältet framåt

Mikhail Lukin är George Vasmer Leverett Professor i fysik och co-director för Harvard Quantum Initiative. Han är också en av de seniora författarna till studien.

“Detta flyttar fältet in i en ny domän där ingen har varit tidigare”, sa Lukin. “Vi går in i en helt ny del av den kvantvärlden.”

Sepehr Ebadi är en fysikstudent i Graduate School of Arts and Sciences och studiens huvudförfattare. 

Enligt Ebadi är systemets största funktioner dess storlek och programmerbarhet, som gör det till ett av de bästa systemen runt. Det kan utnyttja egenskaperna hos materia på extremt små skalor, vilket möjliggör att det ökar bearbetningskraften. En ökning av qubit kan hjälpa systemet att lagra och bearbeta exponentiellt mer information än klassiska bitar, som standarddatorer förlitar sig på.

“Antalet kvanttillstånd som är möjliga med bara 256 qubit överstiger antalet atomer i solsystemet”, sa Ebadi.

Simulatoren har möjliggjort för forskare att observera exotiska kvanttillstånd av materia, samt utföra en kvantfasövergångsstudie, som var extremt exakt och visade hur magnetism fungerar på kvantnivå.

Enligt forskarna kan dessa experiment hjälpa forskare att lära sig hur man designar nya material med exotiska egenskaper.

Det nya systemet

Projektet bygger på en plattform som utvecklades 2017 av forskarna, men den har uppgraderats betydligt den här gången. Den kunde tidigare nå en storlek på 51 qubit, och den möjliggjorde för forskarna att fånga in ultrakalla rubidiumatomer och ordna dem i en specifik ordning med hjälp av en en-dimensionell array av individuellt fokuserade laserstrålar. 

Detta system tillåter atomer att sättas samman i två-dimensionella arrayer av optiska pincetter, som är namnet på laserstrålarna. Detta möjliggör att den uppnåeliga systemstorleken ökar från 51 till 256 qubit. Forskarna kan sedan använda pincetterna för att ordna atomerna i fel-fria mönster och skapa programmerbara former, vilket möjliggör olika interaktioner mellan qubit.

“Arbetshesten i denna nya plattform är en enhet som kallas spatial ljusmodulator, som används för att forma en optisk vågfront för att producera hundratals individuellt fokuserade optiska pincettstrålar”, sa Ebadi. “Dessa enheter är i princip desamma som används i en datorprojektor för att visa bilder på en skärm, men vi har anpassat dem för att vara en kritisk komponent i vår kvantsimulator.”

Acer laddas först in i de optiska pincetterna slumpmässigt innan forskarna flyttar atomerna runt och ordnar dem i målgeometrier. En andra uppsättning rörliga optiska pincetter används sedan för att dra atomerna till deras önskade platser, vilket eliminerar den initiala slumpmässigheten. Lasrarna tillåter forskarna att ha full kontroll över positioneringen av de atomära qubit och deras koherenta kvantmanipulation.

Tout Wang är en forskningsassistent i fysik vid Harvard och en av författarna till artikeln.

“Vårt arbete är en del av en riktigt intensiv, högprofilerad global tävling för att bygga större och bättre kvantdatorer”, sa Wang. “Den övergripande insatsen [bortom vår egen] har topp akademiska forskningsinstitutioner involverade och stora privata investeringar från Google, IBM, Amazon och många andra.”

Teamet arbetar nu med att förbättra systemet genom att förbättra laserkontrollen över qubit, samt göra systemet mer programmerbart. Enligt forskarna kan möjliga tillämpningar inkludera att undersöka exotiska former av kvantmateria och lösa verkliga problem som kan kodas naturligt på qubit.

“Detta arbete möjliggör ett stort antal nya vetenskapliga riktningar”, sa Ebadi. “Vi är inte nära gränserna för vad som kan göras med dessa system.”