チームは、これまでに作成された種類の中で最大の256キュービットのシミュレーターを開発します。
ハーバードMIT超低温原子センターおよび他の大学の物理学者のチームは、256量子ビットまたは「キュービット」で動作できるプログラム可能な量子シミュレーターとして知られる特殊なタイプの量子コンピューターを開発しました。
このシステムは、複雑な量子プロセスのホストに光を当て、最終的には材料科学、通信技術、金融、およびその他の多くの分野で現実世界のブレークスルーをもたらすのに役立つ大規模な量子マシンを構築するための大きな一歩を示しています。今日の最速のスーパーコンピューターの能力を超えた研究のハードルを克服します。 量子ビットは、量子コンピューターが実行される基本的な構成要素であり、その巨大な処理能力の源です。
「これにより、これまで誰も行ったことのない新しい領域にフィールドが移動します」と、ハーバード量子イニシアチブの共同ディレクターであり、研究の上級著者の7人であるGeorgeVasmerLeverett物理学教授のMikhailLukinは述べています。 2021年XNUMX月XNUMX日にジャーナルに掲載されました 自然。 「私たちは量子世界のまったく新しい部分に参入しています。」
ハーバード人文学大学院の物理学の学生であり、研究の筆頭著者であるセファー・エバディによれば、システムの前例のないサイズとプログラム可能性の組み合わせが、量子コンピューターの競争の最先端にあります。非常に小さなスケールでの物質の不思議な性質により、処理能力が大幅に向上します。 適切な状況下では、キュービットの増加は、システムが標準的なコンピューターが実行される従来のビットよりも指数関数的に多くの情報を格納および処理できることを意味します。
「たった256キュービットで可能な量子状態の数は、太陽系の原子の数を超えています」とエバディ氏は、システムの広大なサイズについて説明しました。
すでに、シミュレーターにより、研究者はこれまで実験的に実現されたことのないいくつかのエキゾチックな物質の量子状態を観察し、量子相転移研究を非常に正確に実行できるため、磁性が量子レベルでどのように機能するかを示す教科書の例として役立ちます。
これらの実験は、材料特性の根底にある量子物理学に関する強力な洞察を提供し、科学者にエキゾチックな特性を備えた新しい材料を設計する方法を示すのに役立ちます。
このプロジェクトでは、研究者が2017年に開発した、51キュービットのサイズに達することができた、大幅にアップグレードされたバージョンのプラットフォームを使用しています。 その古いシステムにより、研究者は超低温のルビジウム原子を捕獲し、光ピンセットと呼ばれる個別に集束されたレーザービームのXNUMX次元配列を使用して特定の順序でそれらを配置することができました。
この新しいシステムにより、原子を光ピンセットの51次元配列に組み立てることができます。 これにより、達成可能なシステムサイズが256キュービットからXNUMXキュービットに増加します。 ピンセットを使用すると、研究者は原子を欠陥のないパターンで配置し、正方形、ハニカム、三角形の格子などのプログラム可能な形状を作成して、量子ビット間のさまざまな相互作用を設計できます。
「この新しいプラットフォームの主力製品は、空間光変調器と呼ばれるデバイスです。これは、光波面を形成して、数百の個別に集束された光ピンセットビームを生成するために使用されます」とEbadi氏は述べています。 「これらのデバイスは、画面に画像を表示するためにコンピュータープロジェクター内で使用されるものと本質的に同じですが、量子シミュレーターの重要なコンポーネントとしてそれらを適合させました。」
光ピンセットへの原子の初期負荷はランダムであり、研究者は原子を動かしてターゲットの形状に配置する必要があります。 研究者は、移動する光ピンセットのXNUMX番目のセットを使用して、原子を目的の位置にドラッグし、初期のランダム性を排除します。 レーザーにより、研究者は原子キュービットの配置とそれらのコヒーレント量子操作を完全に制御できます。
この研究の他の上級著者には、マサチューセッツ工科大学のウラダン・ヴレティッチ教授とともにプロジェクトに携わったハーバード大学のスビル・サチデフ教授とマーカス・グライナー教授、スタンフォード大学、カリフォルニア大学バークレー校、オーストリアのインスブルック大学、オーストリア人の科学者が含まれます。アカデミーオブサイエンス、およびボストンのQuEra Computing Inc.
「私たちの仕事は、より大きく、より優れた量子コンピューターを構築するための、非常に激しい、視認性の高い世界的な競争の一部です」と、ハーバード大学の物理学の研究員であり、論文の著者のXNUMX人であるToutWangは述べています。 「(私たち自身を超えた)全体的な取り組みには、一流の学術研究機関が関与し、Google、IBM、Amazon、およびその他の多くの民間部門からの主要な投資があります。」
研究者たちは現在、キュービットに対するレーザー制御を改善し、システムをよりプログラム可能にすることにより、システムの改善に取り組んでいます。 彼らはまた、量子物質のエキゾチックな形の調査から、量子ビットに自然にエンコードできる挑戦的な現実世界の問題の解決に至るまで、システムを新しいアプリケーションにどのように使用できるかを積極的に模索しています。
「この研究は、膨大な数の新しい科学的方向性を可能にします」とエバディは言いました。 「私たちは、これらのシステムでできることの限界に近づいていません。」
参照:Sepehr Ebadi、Tout T. Wang、Harry Levine、Alexander Keesling、Giulia Semeghini、Ahmed Omran、Dolev Bluvstein、Rhine Samajdar、Hannes Pichler、WenWeiHoによる「256原子のプログラム可能な量子シミュレーター上の物質の量子相」 Soonwon Choi、Subir Sachdev、Markus Greiner、VladanVuletić、Mikhail D. Lukin、7年2021月XNUMX日 自然.
DOI: 10.1038/s41586-021-03582-4
この作業は、超低温原子センター、国立科学財団、Vannevar Bush Faculty Fellowship、米国エネルギー省、海軍研究局、陸軍研究局MURI、およびDARPAONISQプログラムによってサポートされていました。