L'équipe développe un simulateur avec 256 qubits, le plus grand du genre jamais créé.
Une équipe de physiciens du Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms et d'autres universités a développé un type spécial d'ordinateur quantique connu sous le nom de simulateur quantique programmable capable de fonctionner avec 256 bits quantiques, ou "qubits".
Le système marque une étape majeure vers la construction de machines quantiques à grande échelle qui pourraient être utilisées pour faire la lumière sur une multitude de processus quantiques complexes et éventuellement aider à réaliser des percées dans le monde réel dans les domaines de la science des matériaux, des technologies de la communication, de la finance et de nombreux autres domaines. surmonter les obstacles de la recherche qui dépassent les capacités des supercalculateurs les plus rapides d'aujourd'hui. Les qubits sont les blocs de construction fondamentaux sur lesquels fonctionnent les ordinateurs quantiques et la source de leur énorme puissance de traitement.
"Cela déplace le domaine dans un nouveau domaine où personne n'est jamais allé jusqu'à présent", a déclaré Mikhail Lukin, professeur de physique George Vasmer Leverett, codirecteur de la Harvard Quantum Initiative et l'un des auteurs principaux de l'étude. publié le 7 juillet 2021, dans la revue Nature. « Nous entrons dans une toute nouvelle partie du monde quantique. »
Dolev Bluvstein (de gauche à droite), Mikhail Lukin et Sepehr Ebadi ont développé un type spécial d'ordinateur quantique connu sous le nom de simulateur quantique programmable. Ebadi aligne le dispositif qui leur permet de créer les pincettes optiques programmables. Crédit : Rose Lincoln/photographe du personnel de Harvard
Selon Sepehr Ebadi, étudiant en physique à la Graduate School of Arts and Sciences et auteur principal de l'étude, c'est la combinaison de la taille et de la programmabilité sans précédent du système qui le place à la pointe de la course à un ordinateur quantique, qui exploite les propriétés mystérieuses de la matière à des échelles extrêmement petites pour faire considérablement progresser la puissance de traitement. Dans les bonnes circonstances, l'augmentation des qubits signifie que le système peut stocker et traiter de manière exponentielle plus d'informations que les bits classiques sur lesquels fonctionnent les ordinateurs standard.
"Le nombre d'états quantiques possibles avec seulement 256 qubits dépasse le nombre d'atomes du système solaire", a déclaré Ebadi, expliquant la grande taille du système.
Déjà, le simulateur a permis aux chercheurs d'observer plusieurs états quantiques exotiques de la matière qui n'avaient jamais été réalisés expérimentalement auparavant, et d'effectuer une étude de transition de phase quantique si précise qu'elle sert d'exemple classique du fonctionnement du magnétisme au niveau quantique.
En les disposant dans des cadres séquentiels et en prenant des images d'atomes isolés, les chercheurs peuvent même réaliser des vidéos d'atomes amusantes. Crédit : Avec l'aimable autorisation du groupe Lukin
Ces expériences fournissent des informations puissantes sur la physique quantique sous-jacente aux propriétés des matériaux et peuvent aider à montrer aux scientifiques comment concevoir de nouveaux matériaux aux propriétés exotiques.
Le projet utilise une version considérablement améliorée d'une plate-forme développée par les chercheurs en 2017, capable d'atteindre une taille de 51 qubits. Cet ancien système a permis aux chercheurs de capturer des atomes de rubidium ultra-froids et de les disposer dans un ordre spécifique à l'aide d'un réseau unidimensionnel de faisceaux laser focalisés individuellement appelés pinces optiques.
Ce nouveau système permet d'assembler les atomes dans des réseaux bidimensionnels de pinces optiques. Cela augmente la taille du système réalisable de 51 à 256 qubits. À l'aide de la pince à épiler, les chercheurs peuvent organiser les atomes dans des motifs sans défaut et créer des formes programmables telles que des réseaux carrés, en nid d'abeille ou triangulaires pour concevoir différentes interactions entre les qubits.
Dolev Bluvstein examine le laser de 420 mm qui leur permet de contrôler et d'enchevêtrer les atomes de Rydberg. Crédit : Université de Harvard
"Le cheval de bataille de cette nouvelle plate-forme est un dispositif appelé modulateur spatial de lumière, qui est utilisé pour façonner un front d'onde optique afin de produire des centaines de faisceaux optiques de pincettes focalisés individuellement", a déclaré Ebadi. "Ces appareils sont essentiellement les mêmes que ceux utilisés à l'intérieur d'un projecteur d'ordinateur pour afficher des images sur un écran, mais nous les avons adaptés pour qu'ils deviennent un composant essentiel de notre simulateur quantique."
Le chargement initial des atomes dans la pince à épiler optique est aléatoire et les chercheurs doivent déplacer les atomes pour les disposer dans leurs géométries cibles. Les chercheurs utilisent un deuxième jeu de pincettes optiques mobiles pour faire glisser les atomes vers les emplacements souhaités, éliminant ainsi le caractère aléatoire initial. Les lasers donnent aux chercheurs un contrôle total sur le positionnement des qubits atomiques et leur manipulation quantique cohérente.
Les autres auteurs principaux de l'étude incluent les professeurs de Harvard Subir Sachdev et Markus Greiner, qui ont travaillé sur le projet avec le professeur Vladan Vuletić du Massachusetts Institute of Technology, et des scientifiques de Stanford, de l'Université de Californie à Berkeley, de l'Université d'Innsbruck en Autriche, du Academy of Sciences et QuEra Computing Inc. à Boston.
"Notre travail fait partie d'une course mondiale très intense et à haute visibilité pour construire des ordinateurs quantiques plus grands et meilleurs", a déclaré Tout Wang, chercheur associé en physique à Harvard et l'un des auteurs de l'article. « L'effort global [au-delà du nôtre] implique les meilleures institutions de recherche universitaire et des investissements majeurs du secteur privé de Google, IBM, Amazon et bien d'autres. »
Les chercheurs travaillent actuellement à améliorer le système en améliorant le contrôle laser sur les qubits et en rendant le système plus programmable. Ils explorent également activement comment le système peut être utilisé pour de nouvelles applications, allant de l'exploration de formes exotiques de matière quantique à la résolution de problèmes difficiles du monde réel qui peuvent être naturellement codés sur les qubits.
"Ce travail permet un grand nombre de nouvelles directions scientifiques", a déclaré Ebadi. "Nous sommes loin des limites de ce qui peut être fait avec ces systèmes."
Référence : « Quantum phases of matter on a 256-atom programmable quantum simulator » par 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 et Mikhail D. Lukin, 7 juillet 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-03582-4
Ce travail a été soutenu par le Center for Ultracold Atoms, la National Science Foundation, la Vannevar Bush Faculty Fellowship, le US Department of Energy, l'Office of Naval Research, l'Army Research Office MURI et le programme DARPA ONISQ.
