Team sviluppa simulatore con 256 qubit, il più grande del suo genere mai creato.
Un team di fisici dell'Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms e di altre università ha sviluppato un tipo speciale di computer quantistico noto come simulatore quantistico programmabile in grado di funzionare con 256 bit quantistici, o "qubit".
Il sistema segna un passo importante verso la costruzione di macchine quantistiche su larga scala che potrebbero essere utilizzate per far luce su una serie di complessi processi quantistici e alla fine aiutare a realizzare scoperte nel mondo reale nella scienza dei materiali, nelle tecnologie della comunicazione, nella finanza e in molti altri campi, superare gli ostacoli della ricerca che sono al di là delle capacità anche dei supercomputer più veloci di oggi. I qubit sono gli elementi costitutivi fondamentali su cui girano i computer quantistici e la fonte della loro enorme potenza di elaborazione.
"Questo sposta il campo in un nuovo dominio in cui nessuno è mai stato finora", ha affermato Mikhail Lukin, professore di fisica di George Vasmer Leverett, co-direttore dell'Harvard Quantum Initiative e uno degli autori senior dello studio pubblicato il 7 luglio 2021 sulla rivista Natura. "Stiamo entrando in una parte completamente nuova del mondo quantistico."
Dolev Bluvstein (da sinistra), Mikhail Lukin e Sepehr Ebadi hanno sviluppato un tipo speciale di computer quantistico noto come simulatore quantistico programmabile. Ebadi sta allineando il dispositivo che permette loro di creare le pinzette ottiche programmabili. Credito: Fotografo personale Rose Lincoln/Harvard
Secondo Sepehr Ebadi, uno studente di fisica alla Graduate School of Arts and Sciences e autore principale dello studio, è la combinazione di dimensioni e programmabilità senza precedenti del sistema che lo pone all'avanguardia nella corsa per un computer quantistico, che sfrutta il misteriose proprietà della materia su scale estremamente piccole per aumentare notevolmente la potenza di elaborazione. Nelle giuste circostanze, l'aumento dei qubit significa che il sistema può memorizzare ed elaborare esponenzialmente più informazioni rispetto ai bit classici su cui girano i computer standard.
"Il numero di stati quantistici possibili con soli 256 qubit supera il numero di atomi nel sistema solare", ha detto Ebadi, spiegando le enormi dimensioni del sistema.
Il simulatore ha già permesso ai ricercatori di osservare diversi stati quantistici esotici della materia che non erano mai stati realizzati sperimentalmente prima, e di eseguire uno studio di transizione di fase quantistica così preciso da servire come esempio da manuale di come funziona il magnetismo a livello quantistico.
Disponendoli in fotogrammi sequenziali e scattando immagini di singoli atomi, i ricercatori possono persino realizzare divertenti video sugli atomi. Credito: per gentile concessione del gruppo Lukin
Questi esperimenti forniscono potenti informazioni sulle proprietà dei materiali alla base della fisica quantistica e possono aiutare a mostrare agli scienziati come progettare nuovi materiali con proprietà esotiche.
Il progetto utilizza una versione notevolmente aggiornata di una piattaforma sviluppata dai ricercatori nel 2017, in grado di raggiungere una dimensione di 51 qubit. Quel vecchio sistema ha permesso ai ricercatori di catturare atomi di rubidio ultrafreddi e di disporli in un ordine specifico utilizzando una serie unidimensionale di raggi laser focalizzati individualmente chiamati pinzette ottiche.
Questo nuovo sistema consente di assemblare gli atomi in array bidimensionali di pinzette ottiche. Ciò aumenta la dimensione del sistema ottenibile da 51 a 256 qubit. Usando le pinzette, i ricercatori possono disporre gli atomi in schemi privi di difetti e creare forme programmabili come reticoli quadrati, a nido d'ape o triangolari per progettare diverse interazioni tra i qubit.
Dolev Bluvstein esamina un laser da 420 mm che consente loro di controllare e aggrovigliare gli atomi di Rydberg. Credito: Università di Harvard
"Il cavallo di battaglia di questa nuova piattaforma è un dispositivo chiamato modulatore di luce spaziale, che viene utilizzato per modellare un fronte d'onda ottico per produrre centinaia di fasci di pinzette ottiche focalizzati individualmente", ha affermato Ebadi. "Questi dispositivi sono essenzialmente gli stessi utilizzati all'interno di un proiettore per computer per visualizzare le immagini su uno schermo, ma li abbiamo adattati per essere un componente fondamentale del nostro simulatore quantistico".
Il caricamento iniziale degli atomi nelle pinzette ottiche è casuale e i ricercatori devono spostare gli atomi per disporli nelle loro geometrie target. I ricercatori utilizzano un secondo set di pinzette ottiche mobili per trascinare gli atomi nelle posizioni desiderate, eliminando la casualità iniziale. I laser danno ai ricercatori il controllo completo sul posizionamento dei qubit atomici e sulla loro manipolazione quantistica coerente.
Altri autori senior dello studio includono i professori di Harvard Subir Sachdev e Markus Greiner, che hanno lavorato al progetto insieme al professor Vladan Vuletić del Massachusetts Institute of Technology, e scienziati di Stanford, dell'Università della California Berkeley, dell'Università di Innsbruck in Austria, dell'Austria Academy of Sciences e QuEra Computing Inc. di Boston.
"Il nostro lavoro fa parte di una corsa globale davvero intensa e ad alta visibilità per costruire computer quantistici più grandi e migliori", ha affermato Tout Wang, ricercatore associato in fisica ad Harvard e uno degli autori dell'articolo. "Lo sforzo complessivo [oltre il nostro] ha coinvolto i migliori istituti di ricerca accademica e importanti investimenti del settore privato da parte di Google, IBM, Amazon e molti altri".
I ricercatori stanno attualmente lavorando per migliorare il sistema migliorando il controllo laser sui qubit e rendendo il sistema più programmabile. Stanno anche esplorando attivamente come il sistema può essere utilizzato per nuove applicazioni, che vanno dall'indagine di forme esotiche di materia quantistica alla risoluzione di complessi problemi del mondo reale che possono essere naturalmente codificati sui qubit.
"Questo lavoro consente un vasto numero di nuove direzioni scientifiche", ha detto Ebadi. "Non siamo neanche lontanamente vicini ai limiti di ciò che si può fare con questi sistemi".
Riferimento: "Quantum phase of matter on a 256-atom programmable quantum simulator" di 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 e Mikhail D. Lukin, 7 luglio 2021, Natura.
DOI: 10.1038/s41586-021-03582-4
Questo lavoro è stato sostenuto dal Center for Ultracold Atoms, dalla National Science Foundation, dalla Vannevar Bush Faculty Fellowship, dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, dall'Office of Naval Research, dall'Army Research Office MURI e dal programma DARPA ONISQ.
