Kvantesimulatorer har kontrol over mere end 50 qubits, sætte ny rekord

To uafhængige teams af videnskabsmænd, herunder en fra University of Maryland (UMD) og National Institute of Standards and Technology (NIST), har brugt mere end 50 interagerende atomare qubits til at efterligne magnetisk kvantestof, blæser forbi kompleksiteten af ​​tidligere demonstrationer. Resultaterne fremgår af denne uges udgave af Natur .

Som grundlag for sin kvantesimulering, UMD-NIST-teamet anvender op til 53 individuelle ytterbium-ioner - ladede atomer fanget på plads af guldbelagte og knivskarpe elektroder. Et komplementært design fra Harvard og MIT forskere bruger 51 uladede rubidium atomer begrænset af en række laserstråler. Med så mange qubits er disse kvantesimulatorer på nippet til at udforske fysik, som ikke kan nås af selv de hurtigste moderne supercomputere. Og at tilføje endnu flere qubits er bare et spørgsmål om at lasso flere atomer i blandingen.

"Hver ion-qubit er et stabilt atomur, der kan replikeres perfekt, " siger UMD-teamleder Christopher Monroe, som også er medstifter og chefforsker ved opstarten IonQ Inc. "De er effektivt forbundet med eksterne laserstråler. Det betyder, at den samme enhed kan omprogrammeres og omkonfigureres, udefra, at tilpasse sig enhver form for kvantesimulering eller fremtidig kvantecomputerapplikation, der dukker op." Monroe har været en af ​​de tidlige pionerer inden for kvantecomputere, og hans forskningsgruppes kvantesimulator er en del af en plan for en kvantecomputer til generelle formål.

Kvantehardware til et kvanteproblem

Mens moderne, Transistor-drevne computere er gode til at knokle sig igennem mange problemer, de kan gå i stå, når de har at gøre med mere end 20 interagerende kvanteobjekter. Det er bestemt tilfældet for kvantemagnetisme, hvor interaktionerne kan føre til magnetisk justering eller til et virvar af konkurrerende interesser på kvanteskalaen.

"Det, der gør dette problem svært, er, at hver magnet interagerer med alle de andre magneter, " siger UMD-forsker Zhexuan Gong, hovedteoretiker og medforfatter på undersøgelsen. "Med de 53 interagerende kvantemagneter i dette eksperiment, der er over en kvadrillion mulige magnetkonfigurationer, og dette tal fordobles med hver ekstra magnet. At simulere dette store problem på en konventionel computer er ekstremt udfordrende, hvis det overhovedet er muligt."

Når disse beregninger rammer en mur, en kvantesimulator kan hjælpe videnskabsmænd med at skubbe til vanskelige problemer. Dette er en begrænset type kvantecomputer, der bruger qubits til at efterligne komplekst kvantestof. Qubits er isolerede og velkontrollerede kvantesystemer, der kan være i en kombination af to eller flere tilstande på én gang. Qubits kommer i forskellige former, og atomer – de alsidige byggesten i alt – er et af de førende valg til fremstilling af qubits. I de seneste år, forskere har kontrolleret 10 til 20 atomare qubits i små kvantesimuleringer.

I øjeblikket, tech industri giganter, startups og universitetsforskere er i et voldsomt kapløb om at bygge prototype kvantecomputere, der kan styre endnu flere qubits. Men qubits er sarte og skal forblive isolerede fra miljøet for at beskytte enhedens kvantenatur. Med hver tilføjet qubit bliver denne beskyttelse sværere, især hvis qubits ikke er identiske fra starten, som det er tilfældet med fabrikerede kredsløb. Dette er en af ​​grundene til, at atomer er et attraktivt valg, der dramatisk kan forenkle processen med at skalere op til storstilet kvantemaskineri.

En atommæssig fordel

I modsætning til det integrerede kredsløb i moderne computere, atomare qubits befinder sig inde i et vakuumkammer med stuetemperatur, der opretholder et tryk svarende til det ydre rum. Denne isolation er nødvendig for at holde det destruktive miljø på afstand, og det giver forskerne mulighed for præcist at kontrollere de atomare qubits med et højt konstrueret netværk af lasere, linser, spejle, optiske fibre og elektriske kredsløb.

"Principperne for kvanteberegning adskiller sig radikalt fra principperne for konventionel computing, så der er ingen grund til at forvente, at disse to teknologier vil ligne noget, " siger Monroe.

I 53-qubit-simulatoren, ion-qubits er lavet af atomer, der alle har den samme elektriske ladning og derfor frastøder hinanden. Men da de skubber hinanden væk, et elektrisk felt genereret af en fælde tvinger dem sammen igen. De to effekter balancerer hinanden, og ionerne stiller op i en enkelt fil. Fysikere udnytter den iboende frastødning til at skabe bevidste ion-til-ion-interaktioner, som er nødvendige for simulering af interagerende kvantestof.

Kvantesimuleringen begynder med en laserimpuls, der kommanderer alle qubits i samme tilstand. Derefter, et andet sæt laserstråler interagerer med ion-qubits, tvinger dem til at fungere som små magneter, hver har en nord- og sydpol. Holdet gør dette andet trin pludselig, som sætter qubits i gang. De føler sig splittet mellem to valg, eller faser, af kvantestof. Som magneter, de kan enten justere deres poler med deres naboer for at danne en ferromagnet eller pege i tilfældige retninger uden magnetisering. Fysikerne kan ændre laserstrålernes relative styrke og observere, hvilken fase der vinder under forskellige laserforhold.

Hele simuleringen tager kun et par millisekunder. Ved at gentage processen mange gange og måle de resulterende tilstande på forskellige punkter under simuleringen, holdet kan se processen, som den udfolder sig fra start til slut. Forskerne observerer, hvordan qubit-magneterne organiserer sig, når forskellige faser dannes, dynamik, som forfatterne siger, er næsten umulige at beregne ved hjælp af konventionelle midler, når der er så mange interaktioner.

Denne kvantesimulator er velegnet til at sondere magnetisk stof og relaterede problemer. Men andre former for beregninger kan have brug for en mere generel kvantecomputer med vilkårligt programmerbare interaktioner for at få et løft.

"Kvantesimuleringer menes i vid udstrækning at være en af ​​de første nyttige anvendelser af kvantecomputere, " siger Alexey Gorshkov, NIST teoretisk fysiker og medforfatter til undersøgelsen. "Efter at have perfektioneret disse kvantesimulatorer, vi kan derefter implementere kvantekredsløb og i sidste ende kvanteforbinde mange sådanne ionkæder sammen for at bygge en fuldskala kvantecomputer med et meget bredere domæne af applikationer."

Da de ser ud til at tilføje endnu flere qubits, holdet mener, at dets simulator vil begive sig ud på mere beregningsmæssigt udfordrende terræn, ud over magnetisme. "Vi fortsætter med at forfine vores system, og det tror vi snart, vi vil være i stand til at kontrollere 100 ion-qubits, eller mere, " siger Jiehang Zhang, undersøgelsens hovedforfatter og UMD postdoc-forsker. "På det tidspunkt, vi kan potentielt udforske vanskelige problemer inden for kvantekemi eller materialedesign."