Team udvikler kvantesimulator med 256 qubits, største af sin slags nogensinde skabt

Et team af fysikere fra Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms og andre universiteter har udviklet en speciel type kvantecomputer kendt som en programmerbar kvantesimulator, der er i stand til at operere med 256 kvantebit, eller "qubits".

Systemet markerer et stort skridt mod at bygge kvantemaskiner i stor skala, der kan bruges til at kaste lys over en lang række komplekse kvanteprocesser og i sidste ende hjælpe med at skabe virkelige gennembrud inden for materialevidenskab, kommunikationsteknologier, finansiere, og mange andre områder, at overvinde forskningsforhindringer, der er uden for selv de hurtigste supercomputeres muligheder i dag. Qubits er de grundlæggende byggesten, som kvantecomputere kører på, og kilden til deres massive processorkraft.

"Dette flytter feltet til et nyt domæne, hvor ingen nogensinde har været indtil nu, " sagde Mikhail Lukin, George Vasmer Leverett professor i fysik, meddirektør for Harvard Quantum Initiative, og en af ​​de ledende forfattere af undersøgelsen offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur . "Vi træder ind i en helt ny del af kvanteverdenen."

Ifølge Sepehr Ebadi, en fysikstuderende på Graduate School of Arts and Sciences og undersøgelsens hovedforfatter, det er kombinationen af ​​systemets hidtil usete størrelse og programmerbarhed, der sætter det på forkant med kapløbet om en kvantecomputer, som udnytter materiens mystiske egenskaber i ekstremt små skalaer for i høj grad at fremme processorkraften. Under de rigtige omstændigheder, stigningen i qubits betyder, at systemet kan lagre og behandle eksponentielt mere information end de klassiske bits, som standardcomputere kører på.

"Antallet af kvantetilstande, der er mulige med kun 256 qubits, overstiger antallet af atomer i solsystemet, " sagde Ebadi, forklarer systemets enorme størrelse.

Allerede, simulatoren har gjort det muligt for forskere at observere flere eksotiske kvantetilstande af stof, som aldrig før var blevet realiseret eksperimentelt, og at udføre et kvantefaseovergangsstudie så præcist, at det fungerer som lærebogseksemplet på, hvordan magnetisme fungerer på kvanteniveau.

Disse eksperimenter giver kraftfuld indsigt i kvantefysikkens underliggende materialeegenskaber og kan hjælpe med at vise videnskabsmænd, hvordan man designer nye materialer med eksotiske egenskaber.

Projektet bruger en væsentligt opgraderet version af en platform, som forskerne udviklede i 2017, som var i stand til at nå en størrelse på 51 qubits. Det ældre system tillod forskerne at fange ultrakolde rubidiumatomer og arrangere dem i en bestemt rækkefølge ved hjælp af en endimensionel række individuelt fokuserede laserstråler kaldet optisk pincet.

Dette nye system gør det muligt at samle atomerne i todimensionale arrays af optisk pincet. Dette øger den opnåelige systemstørrelse fra 51 til 256 qubits. Brug af pincetten, forskere kan arrangere atomerne i fejlfrie mønstre og skabe programmerbare former som kvadratiske, bikage, eller trekantede gitter til at konstruere forskellige interaktioner mellem qubits.

"Arbejdshesten i denne nye platform er en enhed kaldet den rumlige lysmodulator, som bruges til at forme en optisk bølgefront til at producere hundredvis af individuelt fokuserede optiske pincetstråler, " sagde Ebadi. "Disse enheder er i det væsentlige de samme som hvad der bruges inde i en computerprojektor til at vise billeder på en skærm, men vi har tilpasset dem til at være en kritisk komponent i vores kvantesimulator. "

Den første indlæsning af atomerne i den optiske pincet er tilfældig, og forskerne skal flytte atomerne rundt for at arrangere dem i deres målgeometrier. Forskerne bruger et andet sæt bevægelige optiske pincetter til at trække atomerne til deres ønskede placeringer, eliminerer den oprindelige tilfældighed. Lasere giver forskerne fuldstændig kontrol over placeringen af ​​de atomare qubits og deres sammenhængende kvantemanipulation.

Andre ledende forfattere af undersøgelsen omfatter Harvard -professorer Subir Sachdev og Markus Greiner, som arbejdede på projektet sammen med Massachusetts Institute of Technology Professor Vladan Vuletić, og videnskabsmænd fra Stanford, University of California Berkeley, universitetet i Innsbruck i Østrig, det østrigske videnskabsakademi, og QuEra Computing Inc. i Boston.

"Vores arbejde er en del af en virkelig intens, globalt kapløb om at bygge større og bedre kvantecomputere, " sagde Tout Wang, en forskningsassistent i fysik ved Harvard og en af ​​avisens forfattere. "Den samlede indsats [ud over vores egen] har involveret topakademiske forskningsinstitutioner og store investeringer fra den private sektor fra Google, IBM, Amazon, og mange andre."

Forskerne arbejder i øjeblikket på at forbedre systemet ved at forbedre laserstyringen over qubits og gøre systemet mere programmerbart. De undersøger også aktivt, hvordan systemet kan bruges til nye applikationer, lige fra at sondere eksotiske former for kvantestof til at løse udfordrende problemer i den virkelige verden, som naturligt kan kodes på qubits.

"Dette arbejde muliggør et stort antal nye videnskabelige retninger, " sagde Ebadi. "Vi er ikke i nærheden af ​​grænserne for, hvad der kan gøres med disse systemer."

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitys officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.