Фізики розробили спеціальний квантовий комп’ютер з 256 кубітами

У тому, що є значним прогресом у квантових обчисленнях, команда фізиків з Центру надхолодних атомів Гарварду-МІТ та інших університетів створила спеціальний тип квантового комп’ютера. Ця система називається програмованим квантовим симулятором, і вона може працювати з 256 квантовими бітами, або “кубітами”. Кубіти є фундаментальними для роботи квантових комп’ютерів, і вони є джерелом їхньої обчислювальної потужності.

Нова розробка наближає нас до досягнення великомасштабних квантових машин, які можна використовувати для отримання глибокого розуміння складних квантових процесів. Вони також можуть мати великі наслідки в галузях, таких як матеріалознавство, технології зв’язку, фінанси та інші галузі, які зараз зустрічають бар’єри в дослідженнях.

Дослідження було опубліковано 9 липня в Nature. 

Поштовх галузі вперед

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

“Це рухає галузь у новий домен, куди ніхто ще не був”, – сказав Лукін. “Ми вступаємо в абсолютно нову частину квантового світу”.

Сепехр Ебаді є студентом-фізиком у Вищій школі мистецтв і наук і головним автором дослідження.

За словами Ебаді, найбільшими особливостями системи є її розмір і програмованість, які роблять її однією з кращих систем. Вона може використати властивості речовини на вкрай малих масштабах, що дозволяє їй підвищити обчислювальну потужність. Збільшення кількості кубітів може допомогти системі зберігати та обробляти експоненційно більше інформації, ніж класичні біти, на яких стандартні комп’ютери покладаються.

“Кількість квантових станів, які можливі лише з 256 кубітами, перевищує кількість атомів у Сонячній системі”, – сказав Ебаді.

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

За словами дослідників, ці експерименти можуть допомогти вченим вивчити, як проектувати нові матеріали з екзотичними властивостями.

Нова система

Проект використовує платформу, розроблену у 2017 році дослідниками, але цього разу вона була суттєво модернізована. Раніше вона могла досягати розміру 51 кубіту, і вона дозволяла дослідникам захоплювати надхолодні атоми рубідію та розташовувати їх у певному порядку за допомогою одновимірного масиву окремо сфокусованих лазерних променів. 

Ця система дозволяє атомам бути зібраними у двовимірні масиви оптичних пінцетів, що є назвою лазерних променів. Це дозволяє збільшити розмір системи з 51 до 256 кубітів. Дослідники можуть потім використовувати пінцети, щоб розташовувати атоми у бездефектних узорах і створювати програмовані форми, що дозволяє різним взаємодіям між кубітами.

“Робоча сила цієї нової платформи – пристрій, який називається просторовим світловим модулятором, який використовується для формування оптичного хвилевого фронту для виробництва сотень окремо сфокусованих оптичних пінцетних променів”, – сказав Ебаді. “Ці пристрої є по суті тим самим, що використовується всередині комп’ютерного проєктора для відображення зображень на екрані, але ми адаптували їх, щоб вони стали критичним компонентом нашого квантового симулятора”.

Атоми спочатку завантажуються в оптичні пінцети випадково, перш ніж дослідники переміщують атоми та розташовують їх у цільових геометріях. Другий набір рухомих оптичних пінцетів потім використовується для перетягування атомів у їх бажані місця, що усуває початковий випадковість. Лазери дозволяють дослідникам повністю контролювати позиціонування атомних кубітів та їх когерентну квантову маніпуляцію.

Тут Ван є дослідним асистентом з фізики в Гарварді та одним із авторів статті.

“Наша робота є частиною дуже інтенсивної, високої видимості глобальної гонки за будівництво більших і кращих квантових комп’ютерів”, – сказав Ван. “Загальний зусилля [поза нашим] має участь провідних академічних дослідницьких інститутів та великих приватних інвестицій від Google, IBM, Amazon та багатьох інших”.

Команда зараз працює над покращенням системи шляхом поліпшення контролю лазера над кубітами, а також робить систему більш програмованою. За словами дослідників, можливими застосуваннями є дослідження екзотичних форм квантової речовини та вирішення реальних проблем, які можна природно закодувати на кубітах.

“Ця робота дозволяє величезну кількість нових наукових напрямків”, – сказав Ебаді. “Ми ще не досягли меж того, що можна зробити з цими системами”.