Фізики розробили спеціальний квантовий комп’ютер із 256 кубітами

У тому, що є значним прогресом у сфері квантових обчислень, команда фізиків з Центру надхолодних атомів Гарварду-Массачусетського технологічного інституту та інших університетів створила особливий 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 значні наслідки в таких галузях, як матеріалознавство, технології зв’язку, фінанси та інші галузі, які зараз зустрічають бар’єри в дослідженнях.

Дослідження було опубліковано 9 липня в Nature.

ПUSHING THE FIELD FORWARD

Михайло Лукін є професором фізики та співдиректором Гарвардської квантової ініціативи. Він також один із старших авторів дослідження.

«Це рухає галузь у новий напрям, 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, найкращими особливостями системи є її розмір і програмованість, які роблять її однією з кращих систем. Вона може використовувати властивості матерії на дуже малих масштабах, що дозволяє їй підвищувати обчислювальну потужність. Збільшення кількості кубітів може допомогти системі зберігати і обробляти експоненційно більше інформації, ніж класичні біти, на яких працюють звичайні 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 дуже 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 залежить від платформи, розробленої в 2017 році дослідниками, але цього разу вона була суттєво модернізована. Вона могла досягати розміру 51 кубіту в минулому, і вона дозволяла дослідникам захоплювати надхолодні рубідієві атоми і розташовувати їх у певному порядку за допомогою використання 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 для розташування атомів у бездефектних узорах і створення програмованих форм, що дозволяє різним взаємодіям між кубітами.

«Робоча сила цієї нової платформи — пристрій, який називається просторовим модулятором світла, який використовується для формування оптичної хвилі для виробництва сотень окремо сфокусованих оптичних пінцетних променів», — сказав Ебаді. «Ці пристрої є суттєво такими ж, як ті, які використовуються 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 випадковим чином, перш ніж дослідники переміщують атоми і розташовують їх у цільових геометріях. Другий набір рухомих оптичних пінцетів потім використовується для витягування атомів у їх бажані місця, що усуває початковий випадковість. Лазери дозволяють дослідникам взяти повний контроль над позиціонуванням атомних кубітів і їх когерентною квантовою маніпуляцією.

Тут Ван є дослідницьким 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 нашої власної] включає участь провідних академічних дослідницьких інститутів та великих приватних інвестицій від Google (GOOGL ), IBM, Amazon (AMZN ) та багатьох інших».

Команда зараз працює над покращенням системи шляхом покращення контролю лазера над кубітами, а також робить систему більш програмованою. За словами дослідників, можливі застосування включають дослідження екзотичних форм квантової матерії та вирішення реальних проблем, які можна природно закодувати на кубітах.

«Ця робота дозволяє величезну кількість нових наукових напрямів», — сказав Ебаді. «Ми ще не досягли меж того, що можна зробити з цими системами».