Tým vyvíjí simulátor s 256 qubity, největší svého druhu, jaký byl kdy vytvořen.
Tým fyziků z Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms a dalších univerzit vyvinul speciální typ kvantového počítače známý jako programovatelný kvantový simulátor schopný pracovat s 256 kvantovými bity neboli „qubity“.
Systém představuje významný krok směrem k vybudování rozsáhlých kvantových strojů, které by mohly být použity k objasnění řady složitých kvantových procesů a nakonec by pomohly přinést skutečné průlomy v materiálové vědě, komunikačních technologiích, financích a mnoha dalších oblastech. překonání výzkumných překážek, které jsou mimo možnosti i těch nejrychlejších superpočítačů současnosti. Qubity jsou základní stavební kameny, na kterých běží kvantové počítače a zdroj jejich masivního výpočetního výkonu.
„To posouvá pole do nové oblasti, kam se dosud nikdo nedostal,“ řekl Michail Lukin, profesor fyziky George Vasmer Leverett, spoluředitel Harvardské kvantové iniciativy a jeden z hlavních autorů studie. zveřejněno 7. července 2021 v časopise Příroda. "Vstupujeme do zcela nové části kvantového světa."
Dolev Bluvstein (zleva), Michail Lukin a Sepehr Ebadi vyvinuli speciální typ kvantového počítače známý jako programovatelný kvantový simulátor. Ebadi zarovnává zařízení, které jim umožňuje vytvářet programovatelné optické pinzety. Kredit: Rose Lincoln/Harvard Staff Photographer
Podle Sepehra Ebadiho, studenta fyziky na Graduate School of Arts and Sciences a hlavního autora studie, je to kombinace bezprecedentní velikosti a programovatelnosti systému, která jej staví na špici závodu o kvantový počítač, který využívá záhadné vlastnosti hmoty v extrémně malých měřítcích, aby se výrazně zvýšil výkon zpracování. Za správných okolností nárůst qubitů znamená, že systém může uložit a zpracovat exponenciálně více informací než klasické bity, na kterých běží standardní počítače.
"Počet kvantových stavů, které jsou možné pouze s 256 qubity, převyšuje počet atomů ve sluneční soustavě," vysvětlil Ebadi obrovskou velikost systému.
Simulátor již umožnil výzkumníkům pozorovat několik exotických kvantových stavů hmoty, které nebyly nikdy předtím experimentálně realizovány, a provést studii kvantového fázového přechodu tak přesnou, že slouží jako učebnicový příklad toho, jak magnetismus funguje na kvantové úrovni.
Jejich uspořádáním do sekvenčních snímků a pořizováním snímků jednotlivých atomů mohou vědci dokonce vytvářet zábavná videa atomů. Kredit: S laskavým svolením skupiny Lukin
Tyto experimenty poskytují silný pohled na kvantovou fyziku, která je základem vlastností materiálů, a mohou vědcům pomoci ukázat, jak navrhovat nové materiály s exotickými vlastnostmi.
Projekt využívá výrazně vylepšenou verzi platformy, kterou výzkumníci vyvinuli v roce 2017 a která byla schopna dosáhnout velikosti 51 qubitů. Tento starší systém umožnil výzkumníkům zachytit ultrachladné atomy rubidia a uspořádat je ve specifickém pořadí pomocí jednorozměrného pole individuálně zaměřených laserových paprsků nazývaných optické pinzety.
Tento nový systém umožňuje sestavení atomů do dvourozměrných polí optických pinzet. To zvyšuje dosažitelnou velikost systému z 51 na 256 qubitů. Pomocí pinzety mohou vědci uspořádat atomy do vzorů bez defektů a vytvořit programovatelné tvary, jako jsou čtvercové, voštinové nebo trojúhelníkové mřížky, aby vytvořili různé interakce mezi qubity.
Dolev Bluvstein se dívá na 420mm laser, který jim umožňuje ovládat a proplétat Rydbergovy atomy. Kredit: Harvardská univerzita
„Tahonem této nové platformy je zařízení nazývané modulátor prostorového světla, které se používá k tvarování optické vlnoplochy k produkci stovek individuálně zaměřených optických pinzetových paprsků,“ řekl Ebadi. "Tato zařízení jsou v podstatě stejná jako ta, která se používají uvnitř počítačového projektoru k zobrazování obrázků na obrazovce, ale upravili jsme je tak, aby byly kritickou součástí našeho kvantového simulátoru."
Počáteční vložení atomů do optické pinzety je náhodné a výzkumníci musí atomy pohybovat, aby je uspořádali do jejich cílové geometrie. Výzkumníci používají druhou sadu pohyblivých optických pinzet k přetažení atomů na jejich požadovaná místa, čímž se eliminuje počáteční náhodnost. Lasery dávají výzkumníkům úplnou kontrolu nad umístěním atomových qubitů a jejich koherentní kvantovou manipulací.
Mezi další vedoucí autory studie patří harvardští profesoři Subir Sachdev a Markus Greiner, kteří na projektu pracovali spolu s profesorem Massachusettského technologického institutu Vladanem Vuletićem, a vědci ze Stanfordu, University of California Berkeley, University of Innsbruck v Rakousku, Rakouska Akademie věd a QuEra Computing Inc. v Bostonu.
"Naše práce je součástí opravdu intenzivního, vysoce viditelného globálního závodu ve výrobě větších a lepších kvantových počítačů," řekl Tout Wang, vědecký pracovník ve fyzice na Harvardu a jeden z autorů článku. „Na celkovém úsilí [nad rámec našich vlastních] jsou zapojeny špičkové akademické výzkumné instituce a velké investice soukromého sektoru od společností Google, IBM, Amazon a mnoha dalších.“
Výzkumníci v současné době pracují na vylepšení systému zlepšením laserové kontroly nad qubity a zvýšením programovatelnosti systému. Aktivně také zkoumají, jak lze systém použít pro nové aplikace, od zkoumání exotických forem kvantové hmoty až po řešení náročných problémů reálného světa, které lze přirozeně zakódovat do qubitů.
"Tato práce umožňuje obrovské množství nových vědeckých směrů," řekl Ebadi. "Nikde nejsme blízko hranic toho, co lze s těmito systémy udělat."
Reference: „Kvantové fáze hmoty na 256-atomovém programovatelném kvantovém simulátoru“ od Sepehra Ebadiho, Tout T. Wanga, Harryho Levina, Alexandra Keeslinga, Giulie Semeghini, Ahmeda Omrana, Doleva Bluvsteina, Rhinea Samajdara, Hannesa Pichlera, Wen Wei Ho, Soonwon Choi, Subir Sachdev, Markus Greiner, Vladan Vuletić a Michail D. Lukin, 7. července 2021, Příroda.
DOI: 10.1038/s41586-021-03582-4
Tato práce byla podporována Centrem pro ultracold Atoms, National Science Foundation, Vannevar Bush Faculty Fellowship, US Department of Energy, Office of Naval Research, Army Research Office MURI a DARPA ONISQ program.
