Фізики розробили спеціальний квантовий комп’ютер із 256 кубітами

Команда фізиків із Центру ультрахолодних атомів Гарвардського Массачусетського технологічного інституту та інших університетів створила особливий тип квантового комп’ютера. Цю систему називають програмованим квантовим симулятором, і вона може працювати з 256 квантовими бітами або «кубітами». Кубіти є фундаментальними для роботи квантових комп’ютерів і є джерелом їх обчислювальної потужності.

Нова розробка наближає нас до створення великомасштабних квантових машин, які можна використовувати для глибокого розуміння складних квантових процесів. Вони також можуть мати значні наслідки в таких галузях, як матеріалознавство, комунікаційні технології, фінанси та інших, які зараз стикаються з перешкодами в дослідженні.

Дослідження було опубліковано ще 9 липня в природа. 

Просування поля вперед

Михайло Лукін є професором фізики Джорджа Васмера Леверетта та співдиректором Гарвардської квантової ініціативи. Він також є одним із старших авторів дослідження.

«Це переміщує поле в новий домен, де досі ніхто ніколи не був», — сказав Лукін. «Ми входимо в абсолютно нову частину квантового світу».

Сепер Ебаді є студентом фізики в Вищій школі мистецтв і наук і провідним автором дослідження. 

За словами Ебаді, найбільшими характеристиками системи є її розмір і можливість програмування, що робить її однією з найкращих систем. Він може використовувати властивості матерії в надзвичайно малих масштабах, що дозволяє йому підвищити потужність обробки. Збільшення кількості кубітів може допомогти системі зберігати й обробляти експоненціально більше інформації, ніж класичні біти, на які покладаються стандартні комп’ютери.

«Кількість квантових станів, які можливі лише з 256 кубітами, перевищує кількість атомів у Сонячній системі», — сказав Ебаді.

Симулятор дозволив дослідникам спостерігати екзотичні квантові стани матерії, а також провести дослідження квантового фазового переходу, яке було надзвичайно точним і продемонструвало, як працює магнетизм на квантовому рівні.

На думку дослідників, ці експерименти можуть допомогти вченим навчитися створювати нові матеріали з екзотичними властивостями.

Нова система

Проект спирається на платформу, розроблену дослідниками в 2017 році, але цього разу вона була значно оновлена. Раніше він міг досягати розміру в 51 кубіт, і це дозволило дослідникам захопити ультрахолодні атоми рубідію та розташувати їх у певному порядку за допомогою одновимірного масиву індивідуально сфокусованих лазерних променів. 

Ця система дозволяє збирати атоми в двовимірні масиви оптичних пінцетів, що є назвою для лазерних променів. Це дозволяє збільшити досяжний розмір системи з 51 до 256 кубітів. Потім дослідники можуть використовувати пінцет, щоб розташувати атоми без дефектів і створити програмовані форми, що забезпечує різну взаємодію між кубітами.

«Робочою конячкою цієї нової платформи є пристрій під назвою просторовий модулятор світла, який використовується для формування оптичного хвильового фронту для створення сотень індивідуально сфокусованих пучків оптичного пінцета», — сказав Ебаді. «Ці пристрої по суті такі ж, як і те, що використовується всередині комп’ютерного проектора для відображення зображень на екрані, але ми адаптували їх, щоб стати критичним компонентом нашого квантового симулятора».

Атоми спочатку завантажуються в оптичний пінцет випадковим чином, перш ніж дослідники пересувають атоми та розташовують їх у цільових геометріях. Потім використовується другий набір рухомих оптичних пінцетів для перетягування атомів у потрібні місця, що усуває початкову випадковість. Лазери дозволяють дослідникам взяти повний контроль над розташуванням атомних кубітів і їх когерентною квантовою маніпуляцією.

Tout Wang є науковим співробітником з фізики в Гарварді та одним із авторів статті.

«Наша робота є частиною справді інтенсивної, помітної глобальної гонки за створення більших і кращих квантових комп’ютерів», — сказав Ван. «У загальних зусиллях [крім наших] задіяні провідні академічні дослідницькі установи та значні інвестиції приватного сектора від Google, IBM, Amazon та багатьох інших».

Зараз команда працює над удосконаленням системи шляхом вдосконалення лазерного контролю над кубітами, а також над тим, щоб зробити систему більш програмованою. За словами дослідників, можливі застосування включають дослідження екзотичних форм квантової матерії та вирішення проблем реального світу, які можуть бути природним чином закодовані на кубітах.

«Ця робота відкриває величезну кількість нових наукових напрямків», — сказав Ебаді. «Ми далеко не межі того, що можна зробити з цими системами».