Forskere demonstrerer en af ​​de største kvantesimulatorer

Fysikere ved MIT og Harvard University har demonstreret en ny måde at manipulere kvantemateriale. I et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , de rapporterer ved hjælp af et system med fintunede lasere til først at fange og derefter justere interaktionerne mellem 51 individuelle atomer, eller kvantebits.

Holdets resultater repræsenterer et af de største arrays af kvantebits, kendt som qubits, at forskere har været i stand til individuelt at kontrollere. I samme nummer af Natur , et team fra University of Maryland rapporterer et system af lignende størrelse, der bruger fangede ioner som kvantebits.

I MIT-Harvard tilgang, forskerne genererede en kæde på 51 atomer og programmerede dem til at gennemgå en kvantefaseovergang, hvor hvert andet atom i kæden var spændt. Mønsteret ligner en tilstand af magnetisme kendt som en antiferromagnet, hvor spin af hvert andet atom eller molekyle er justeret.

Teamet beskriver 51-atom-arrayet som ikke helt en generisk kvantecomputer, som teoretisk set burde være i stand til at løse ethvert beregningsproblem, der stilles til det, men en "kvantesimulator" - et system med kvantebits, der kan designes til at simulere et specifikt problem eller løse for en bestemt ligning, meget hurtigere end den hurtigste klassiske computer.

For eksempel, teamet kan omkonfigurere mønsteret af atomer for at simulere og studere nye tilstande af stof og kvantefænomener som f.eks. sammenfiltring. Den nye kvantesimulator kunne også være grundlaget for at løse optimeringsproblemer som f.eks. Den rejsende sælger, hvor en teoretisk sælger skal finde ud af den korteste vej at gå for at besøge en given liste over byer. Små variationer af dette problem forekommer på mange andre forskningsområder, såsom DNA -sekventering, flytte en automatiseret loddetip til mange loddepunkter, eller routing af pakker med data gennem behandlingsknudepunkter.

"Dette problem er eksponentielt svært for en klassisk computer, hvilket betyder, at det kunne løse dette for et bestemt antal byer, men hvis jeg ville tilføje flere byer, det ville blive meget sværere, meget hurtigt, "siger studieforfatter Vladan Vuleti ?, Lester Wolfe professor i fysik ved MIT. "For denne slags problemer, du behøver ikke en kvantecomputer. En simulator er god nok til at simulere det korrekte system. Så vi tror, ​​at disse optimeringsalgoritmer er de mest enkle opgaver at opnå. "

Værket blev udført i samarbejde med Harvard -professorerne Mikhail Lukin og Markus Greiner; MIT-gæsteforsker Sylvain Schwartz er også medforfatter.

Adskilt, men interagerende

Kvantecomputere er stort set teoretiske enheder, der potentielt kan udføre uhyre komplicerede beregninger på en brøkdel af den tid, det ville tage for verdens mest kraftfulde klassiske computer. De ville gøre det gennem qubits - databehandlingsenheder, der, i modsætning til de binære bits på klassiske computere, kan være samtidigt i en position på 0 og 1. Denne kvanteegenskab ved superposition tillader en enkelt qubit at udføre to separate beregningsstrømme samtidigt. Tilføjelse af yderligere qubits til et system kan eksponentielt fremskynde en computers beregninger.

Men store vejspærringer har forhindret forskere i at realisere en fuldt operationel kvantecomputer. En sådan udfordring:hvordan man får qubits til at interagere med hinanden, mens de ikke engagerer sig i deres omgivende miljø.

"Vi ved, at tingene meget let bliver klassiske, når de interagerer med miljøet, så du har brug for [qubits] for at være superisoleret, "siger Vuleti ?, der er medlem af Research Laboratory of Electronics og MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. "På den anden side, de skal stærkt interagere med en anden qubit. "

Nogle grupper bygger kvantesystemer med ioner, eller ladede atomer, som qubits. De fanger eller isolerer ionerne fra resten af ​​miljøet ved hjælp af elektriske felter; engang fanget, ionerne interagerer stærkt med hinanden. Men mange af disse interaktioner afviser kraftigt, lignende magneter med lignende orientering, og er derfor vanskelige at kontrollere, især i systemer med mange ioner.

Andre forskere eksperimenterer med superledende qubits - kunstige atomer fremstillet til at opføre sig kvantemæssigt. Men Vuleti? siger, at sådanne fremstillede qubits har deres ulemper sammenlignet med dem, der er baseret på faktiske atomer.

"Per definition, hvert atom er det samme som hvert andet atom af samme art, "Vuleti? Siger." Men når du bygger dem i hånden, så har du fabrikationsindflydelse, såsom lidt forskellige overgangsfrekvenser, koblinger, og så videre. "

Indstilling af fælden

Vuleti? og hans kolleger kom med en tredje tilgang til opbygning af et kvantesystem, ved hjælp af neutrale atomer - atomer, der ikke har nogen elektrisk ladning - som qubits. I modsætning til ioner, neutrale atomer afviser ikke hinanden, og de har iboende identiske egenskaber, i modsætning til fremstillede superledende qubits.

I tidligere arbejde, gruppen udtænkte en måde at fange individuelle atomer på, ved at bruge en laserstråle til først at afkøle en sky af rubidiumatomer til tæt på absolut nul temperaturer, bremser deres bevægelse til næsten stilstand. De anvender derefter en anden laser, opdelt i mere end 100 bjælker, at fange og holde individuelle atomer på plads. De er i stand til at forestille sig skyen for at se, hvilke laserstråler der har fanget et atom, og kan slukke visse stråler for at kassere disse fælder uden et atom. De omarrangerer derefter alle fælderne med atomer, at oprette en bestilt, defektfrit udvalg af qubits.

Med denne teknik, forskerne har været i stand til at opbygge en kvantekæde på 51 atomer, alle fanget i deres grundtilstand, eller laveste energiniveau.

I deres nye papir, holdet rapporterer at gå et skridt videre, at kontrollere interaktionen mellem disse 51 fangede atomer, et nødvendigt skridt i retning af at manipulere individuelle qubits. For at gøre det, de slukkede midlertidigt laserfrekvenserne, der oprindeligt fangede atomerne, gør det muligt for kvantesystemet at udvikle sig naturligt.

De udsatte derefter det udviklende kvantesystem for en tredje laserstråle for at forsøge at ophidse atomerne til en såkaldt Rydberg -tilstand - en tilstand, hvor en af ​​et atoms elektroner er spændt på en meget høj energi sammenlignet med resten af ​​atomets elektroner. Endelig, de tændte atomfangende laserstråler igen for at detektere de enkelte atomers endelige tilstande.

"Hvis alle atomer starter i grundtilstanden, det viser sig, når vi forsøger at sætte alle atomerne i denne ophidsede tilstand, den tilstand, der dukker op, er en, hvor hvert andet atom er spændt, "Vuleti? Siger." Så atomerne foretager en kvantefaseovergang til noget, der ligner en antiferromagnet. "

Overgangen finder kun sted i hvert andet atom på grund af det faktum, at atomer i Rydberg -stater interagerer meget stærkt med hinanden, og det ville kræve meget mere energi at ophidse to nabo -atomer til Rydberg -stater, end laseren kan levere.

Vuleti? siger, at forskerne kan ændre interaktionerne mellem atomer ved at ændre arrangementet af fangede atomer, samt frekvensen eller farven på den atomspændende laserstråle. Hvad mere er, systemet kan let udvides.

"Vi tror, ​​vi kan skalere det op til et par hundrede, "Vuleti? Siger." Hvis du vil bruge dette system som en kvantecomputer, det bliver interessant i størrelsesordenen 100 atomer, afhængigt af hvilket system du prøver at simulere. "

For nu, forskerne planlægger at teste 51-atomsystemet som en kvantesimulator, specifikt om problemer med sti-planlægning, der kan løses ved hjælp af adiabatisk kvanteberegning-en form for kvanteberegning, der først blev foreslået af Edward Farhi, Cecil og Ida Green professor i fysik ved MIT.

Adiabatisk kvanteberegning foreslår, at grundtilstanden i et kvantesystem beskriver løsningen på problemet med interesse. Når dette system kan udvikles til at producere selve problemet, systemets sluttilstand kan bekræfte løsningen.

"Du kan starte med at forberede systemet i en enkel og kendt tilstand med laveste energi, for eksempel alle atomer i deres grundtilstande, deformér det derefter langsomt for at repræsentere det problem, du vil løse, for eksempel, problemet med den rejsende sælger, "Vuleti? Siger." Det er en langsom ændring af nogle parametre i systemet, hvilket er præcis, hvad vi gør i dette eksperiment. Så vores system er rettet mod disse adiabatiske kvanteberegningsproblemer. "