Span ontwikkel simulator met 256 qubits, die grootste van sy soort wat ooit geskep is.
’n Span fisici van die Harvard-MIT-sentrum vir ultrakoue atome en ander universiteite het ’n spesiale tipe kwantumrekenaar ontwikkel wat bekend staan as ’n programmeerbare kwantumsimulator wat in staat is om met 256 kwantumbisse, of “qubits” te werk.
Die stelsel is 'n groot stap in die rigting van die bou van grootskaalse kwantummasjiene wat gebruik kan word om lig te werp op 'n magdom komplekse kwantumprosesse en uiteindelik help om werklike deurbrake te bewerkstellig in materiaalwetenskap, kommunikasietegnologie, finansies en baie ander velde, navorsingshindernisse te oorkom wat buite die vermoëns van selfs die vinnigste superrekenaars vandag is. Qubits is die fundamentele boustene waarop kwantumrekenaars loop en die bron van hul massiewe verwerkingskrag.
"Dit beweeg die veld na 'n nuwe domein waar niemand tot dusver nog ooit was nie," het Mikhail Lukin, die George Vasmer Leverett Professor in Fisika, mede-direkteur van die Harvard Quantum Initiative, en een van die senior skrywers van die studie gesê. gepubliseer op 7 Julie 2021, in die joernaal Aard. "Ons betree 'n heeltemal nuwe deel van die kwantumwêreld."
Dolev Bluvstein (van links), Mikhail Lukin en Sepehr Ebadi het 'n spesiale tipe kwantumrekenaar ontwikkel wat bekend staan as 'n programmeerbare kwantumsimulator. Ebadi stel die toestel in lyn wat hulle in staat stel om die programmeerbare optiese pincet te skep. Krediet: Rose Lincoln/Harvard-personeelfotograaf
Volgens Sepehr Ebadi, 'n fisikastudent in die Nagraadse Skool vir Kuns en Wetenskappe en die studie se hoofskrywer, is dit die kombinasie van die stelsel se ongekende grootte en programmeerbaarheid wat dit op die voorpunt van die wedloop vir 'n kwantumrekenaar plaas, wat die geheimsinnige eienskappe van materie op uiters klein skale om verwerkingskrag aansienlik te bevorder. Onder die regte omstandighede beteken die toename in kwbits dat die stelsel eksponensieel meer inligting kan stoor en verwerk as die klassieke bisse waarop standaardrekenaars loop.
"Die aantal kwantumtoestande wat met slegs 256 qubits moontlik is, oorskry die aantal atome in die sonnestelsel," het Ebadi gesê en die stelsel se groot grootte verduidelik.
Reeds het die simulator navorsers toegelaat om verskeie eksotiese kwantumtoestande van materie waar te neem wat nog nooit tevore eksperimenteel gerealiseer is nie, en om 'n kwantumfase-oorgangstudie so presies uit te voer dat dit dien as die handboekvoorbeeld van hoe magnetisme op kwantumvlak werk.
Deur hulle in opeenvolgende rame te rangskik en beelde van enkele atome te neem, kan die navorsers selfs prettige atoomvideo's maak. Krediet: Met vergunning van Lukin-groep
Hierdie eksperimente verskaf kragtige insigte oor die kwantumfisika onderliggende materiaal eienskappe en kan help om wetenskaplikes te wys hoe om nuwe materiale met eksotiese eienskappe te ontwerp.
Die projek gebruik 'n aansienlik opgegradeerde weergawe van 'n platform wat die navorsers in 2017 ontwikkel het, wat in staat was om 'n grootte van 51 qubits te bereik. Daardie ouer stelsel het die navorsers in staat gestel om ultrakoue rubidiumatome vas te vang en hulle in 'n spesifieke volgorde te rangskik met behulp van 'n eendimensionele reeks individueel gefokusde laserstrale wat optiese pincet genoem word.
Hierdie nuwe stelsel laat toe dat die atome in tweedimensionele reekse optiese pincet saamgestel word. Dit verhoog die bereikbare stelselgrootte van 51 tot 256 qubits. Deur die pincet te gebruik, kan navorsers die atome in defekvrye patrone rangskik en programmeerbare vorms soos vierkantige, heuningkoek- of driehoekige roosters skep om verskillende interaksies tussen die qubits te ontwerp.
Dolev Bluvstein kyk na 420 mm-laser wat hulle in staat stel om Rydberg-atome te beheer en te verstrengel. Krediet: Harvard Universiteit
"Die werkesel van hierdie nuwe platform is 'n toestel genaamd die ruimtelike ligmodulator, wat gebruik word om 'n optiese golffront te vorm om honderde individueel gefokusde optiese tweezer-strale te produseer," het Ebadi gesê. "Hierdie toestelle is in wese dieselfde as wat binne 'n rekenaarprojektor gebruik word om beelde op 'n skerm te vertoon, maar ons het dit aangepas om 'n kritieke komponent van ons kwantumsimulator te wees."
Die aanvanklike laai van die atome in die optiese pincet is lukraak, en die navorsers moet die atome rondbeweeg om hulle in hul teikengeometrie te rangskik. Die navorsers gebruik 'n tweede stel bewegende optiese pincet om die atome na hul verlangde plekke te sleep, wat die aanvanklike ewekansigheid uitskakel. Lasers gee aan die navorsers volledige beheer oor die posisionering van die atoomkwantite en hul koherente kwantummanipulasie.
Ander senior skrywers van die studie sluit in Harvard-professore Subir Sachdev en Markus Greiner, wat saam met Massachusetts Institute of Technology Professor Vladan Vuletić aan die projek gewerk het, en wetenskaplikes van Stanford, die Universiteit van Kalifornië Berkeley, die Universiteit van Innsbruck in Oostenryk, die Oostenrykse Akademie vir Wetenskappe, en QuEra Computing Inc. in Boston.
"Ons werk is deel van 'n baie intense, hoë-sigbaarheid globale wedloop om groter en beter kwantumrekenaars te bou," sê Tout Wang, 'n navorsingsgenoot in fisika aan Harvard en een van die koerant se skrywers. "Die algehele poging [behalwe ons eie] het top akademiese navorsingsinstellings betrokke en groot privatesektor-investering van Google, IBM, Amazon en vele ander."
Die navorsers werk tans daaraan om die stelsel te verbeter deur laserbeheer oor qubits te verbeter en die stelsel meer programmeerbaar te maak. Hulle ondersoek ook aktief hoe die stelsel vir nuwe toepassings gebruik kan word, wat wissel van die ondersoek van eksotiese vorme van kwantummaterie tot die oplossing van uitdagende werklike probleme wat natuurlik op die qubits geënkodeer kan word.
"Hierdie werk maak 'n groot aantal nuwe wetenskaplike rigtings moontlik," het Ebadi gesê. "Ons is nêrens naby die grense van wat met hierdie stelsels gedoen kan word nie."
Verwysing: "Kwantumfases van materie op 'n 256-atoom programmeerbare kwantumsimulator" deur Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rhine Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho, Soonwon Choi, Subir Sachdev, Markus Greiner, Vladan Vuletić en Mikhail D. Lukin, 7 Julie 2021, Aard.
DOI: 10.1038/s41586-021-03582-4
Hierdie werk is ondersteun deur die Sentrum vir Ultrakoue Atome, die Nasionale Wetenskapstigting, die Vannevar Bush-fakulteitsgenootskap, die Amerikaanse departement van energie, die kantoor vir vlootnavorsing, die weermagnavorsingskantoor MURI en die DARPA ONISQ-program.
