A csapat 256 qubites szimulátort fejleszt, amely a valaha készült legnagyobb ilyen típusú.
A Harvard-MIT Ultrahideg Atomok Központja és más egyetemek fizikusai egy speciális típusú kvantumszámítógépet fejlesztettek ki, amely programozható kvantumszimulátorként ismert, és amely 256 kvantumbittel vagy „qubittel” képes működni.
A rendszer jelentős lépést jelent a nagy léptékű kvantumgépek építése felé, amelyek segítségével fény derülhet egy sor összetett kvantumfolyamatra, és végül valós áttörést hozhatna az anyagtudományban, a kommunikációs technológiákban, a pénzügyekben és sok más területen. olyan kutatási akadályok leküzdése, amelyek még a mai leggyorsabb szuperszámítógépek képességeit is meghaladják. A qubitek a kvantumszámítógépek alapvető építőkövei, és hatalmas feldolgozási teljesítményük forrásai.
"Ez egy új területre helyezi át a területet, ahol eddig még soha senki nem járt" - mondta Mikhail Lukin, George Vasmer Leverett fizikaprofesszor, a Harvard Quantum Initiative társigazgatója és a tanulmány egyik vezető szerzője. 7. július 2021-én jelent meg a folyóiratban Természet. „A kvantumvilág egy teljesen új részébe lépünk be.”
Dolev Bluvstein (balról), Mikhail Lukin és Sepehr Ebadi kifejlesztett egy speciális kvantumszámítógépet, amely programozható kvantumszimulátorként ismert. Az Ebadi összehangolja az eszközt, amely lehetővé teszi számukra a programozható optikai csipeszek létrehozását. Köszönetnyilvánítás: Rose Lincoln/Harvard Staff Photographer
Sepehr Ebadi, a Graduate School of Arts and Sciences fizikus hallgatója és a tanulmány vezető szerzője szerint a rendszer példátlan méretének és programozhatóságának kombinációja az, ami a kvantumszámítógépek versenyének élére helyezi, amely kihasználja a az anyag titokzatos tulajdonságai rendkívül kis léptékben a feldolgozási teljesítmény nagymértékű növelése érdekében. Megfelelő körülmények között a qubitek növekedése azt jelenti, hogy a rendszer exponenciálisan több információt tud tárolni és feldolgozni, mint a klasszikus bitek, amelyeken a szabványos számítógépek futnak.
"A mindössze 256 qubittel lehetséges kvantumállapotok száma meghaladja a Naprendszer atomjainak számát" - mondta Ebadi, magyarázva a rendszer hatalmas méretét.
A szimulátor már most lehetővé tette a kutatók számára, hogy több olyan egzotikus kvantumállapotot figyeljenek meg, amelyeket korábban kísérletileg soha nem valósítottak meg, és olyan pontos kvantumfázis-átmeneti vizsgálatot végezhetnek, amely tankönyvi példaként szolgál a mágnesesség kvantumszintű működésére.
A szekvenciális képkockákba rendezéssel és az egyes atomokról készült felvételekkel a kutatók akár vicces atomvideókat is készíthetnek. Köszönet: a Lukin csoport jóvoltából
Ezek a kísérletek erőteljes betekintést nyújtanak az anyagtulajdonságok mögött meghúzódó kvantumfizikába, és segíthetnek megmutatni a tudósoknak, hogyan tervezzenek új, egzotikus tulajdonságokkal rendelkező anyagokat.
A projekt a kutatók által 2017-ben kifejlesztett platform jelentősen továbbfejlesztett változatát használja, amely 51 qubites méretre volt képes. Ez a régebbi rendszer lehetővé tette a kutatóknak, hogy befogják az ultrahideg rubídium atomokat, és meghatározott sorrendbe rendezzék őket egy egydimenziós, egyedileg fókuszált lézersugarak, úgynevezett optikai csipeszek segítségével.
Ez az új rendszer lehetővé teszi az atomok optikai csipeszek kétdimenziós tömbjeibe való összeállítását. Ez 51-ről 256 qubitre növeli az elérhető rendszerméretet. A csipesz segítségével a kutatók hibamentes mintákba rendezhetik az atomokat, és programozható alakzatokat hozhatnak létre, például négyzet, méhsejt vagy háromszög alakú rácsokat, hogy megtervezzék a qubitek közötti különböző kölcsönhatásokat.
Dolev Bluvstein 420 mm-es lézert vizsgál, amely lehetővé teszi számukra a Rydberg atomok irányítását és összefonódását. Köszönet: Harvard Egyetem
"Az új platform igáslója egy térbeli fénymodulátornak nevezett eszköz, amelyet optikai hullámfront kialakítására használnak, hogy több száz egyedi fókuszú optikai csipesznyalábot állítsanak elő" - mondta Ebadi. „Ezek az eszközök lényegében megegyeznek azzal, amit egy számítógépes kivetítő belsejében használnak képek képernyőn való megjelenítésére, de úgy alakítottuk át őket, hogy a kvantumszimulátorunk kritikus elemei legyenek.”
Az atomok kezdeti betöltése az optikai csipeszekbe véletlenszerű, és a kutatóknak meg kell mozgatniuk az atomokat, hogy célgeometriájukba rendezzék őket. A kutatók egy második mozgó optikai csipesz segítségével húzzák az atomokat a kívánt helyükre, kiküszöbölve a kezdeti véletlenszerűséget. A lézerek teljes ellenőrzést biztosítanak a kutatóknak az atomi kvitek pozicionálása és koherens kvantummanipulációjuk felett.
A tanulmány további vezető szerzői közé tartozik a Harvard professzora, Subir Sachdev és Markus Greiner, akik Vladan Vuletić Massachusettsi Technológiai Intézet professzorával együtt dolgoztak a projekten, valamint a Stanford, a Kaliforniai Berkeley Egyetem, az ausztriai Innsbrucki Egyetem és az osztrák tudósok. Tudományos Akadémia és a Quera Computing Inc. Bostonban.
"Munkánk egy igazán intenzív, jól látható globális verseny része a nagyobb és jobb kvantumszámítógépek megépítéséért" - mondta Tout Wang, a Harvard fizikával foglalkozó kutatója és a tanulmány egyik szerzője. „Az átfogó erőfeszítésben [a miénken túl] vezető akadémiai kutatóintézetek vesznek részt, valamint jelentős magánszektorbeli befektetések a Google, az IBM, az Amazon és még sokan mások részéről.”
A kutatók jelenleg a rendszer fejlesztésén dolgoznak a qubitek lézeres vezérlésének javításával és a rendszer programozhatóságának javításával. Aktívan kutatják azt is, hogy a rendszer hogyan használható új alkalmazásokhoz, kezdve a kvantumanyag egzotikus formáinak vizsgálatától a kihívást jelentő valós problémák megoldásáig, amelyek természetesen a qubitekre kódolhatók.
"Ez a munka számos új tudományos irányt tesz lehetővé" - mondta Ebadi. "Közel sem járunk a határaihoz, hogy mit tehetünk ezekkel a rendszerekkel."
Hivatkozás: Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rhine Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho „Az anyag kvantumfázisai egy 256 atomos programozható kvantumszimulátoron” Soonwon Choi, Subir Sachdev, Markus Greiner, Vladan Vuletić és Mikhail D. Lukin, 7. július 2021., Természet.
DOI: 10.1038/s41586-021-03582-4
Ezt a munkát az Ultrahideg Atomok Központja, a Nemzeti Tudományos Alapítvány, a Vannevar Bush Kari Ösztöndíj, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma, a Haditengerészeti Kutatási Hivatal, a Hadsereg Kutató Iroda MURI és a DARPA ONISQ program támogatta.
