Equipe desenvolve simulador com 256 qubits, o maior do gênero já criado.
Uma equipe de físicos do Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms e de outras universidades desenvolveu um tipo especial de computador quântico conhecido como simulador quântico programável capaz de operar com 256 bits quânticos, ou “qubits”.
O sistema marca um grande passo em direção à construção de máquinas quânticas de grande escala que podem ser usadas para esclarecer uma série de processos quânticos complexos e, eventualmente, ajudar a trazer avanços do mundo real em ciência dos materiais, tecnologias de comunicação, finanças e muitos outros campos. superando obstáculos de pesquisa que estão além das capacidades até mesmo dos supercomputadores mais rápidos de hoje. Qubits são os blocos de construção fundamentais nos quais os computadores quânticos são executados e a fonte de seu enorme poder de processamento.
“Isso move o campo para um novo domínio onde ninguém nunca esteve até agora”, disse Mikhail Lukin, professor de física George Vasmer Leverett, codiretor da Harvard Quantum Initiative e um dos autores seniores do estudo. publicado em 7 de julho de 2021, na revista Natureza. “Estamos entrando em uma parte completamente nova do mundo quântico.”
Dolev Bluvstein (da esquerda), Mikhail Lukin e Sepehr Ebadi desenvolveram um tipo especial de computador quântico conhecido como simulador quântico programável. A Ebadi está alinhando o dispositivo que permite criar as pinças ópticas programáveis. Crédito: Rose Lincoln/Fotógrafo da equipe de Harvard
De acordo com Sepehr Ebadi, estudante de física da Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências e principal autor do estudo, é a combinação de tamanho e programabilidade sem precedentes do sistema que o coloca na vanguarda da corrida por um computador quântico, que aproveita o propriedades misteriosas da matéria em escalas extremamente pequenas para aumentar muito o poder de processamento. Sob as circunstâncias certas, o aumento de qubits significa que o sistema pode armazenar e processar exponencialmente mais informações do que os bits clássicos nos quais os computadores padrão são executados.
“O número de estados quânticos que são possíveis com apenas 256 qubits excede o número de átomos no sistema solar”, disse Ebadi, explicando o vasto tamanho do sistema.
O simulador já permitiu aos pesquisadores observar vários estados quânticos exóticos da matéria que nunca haviam sido realizados experimentalmente e realizar um estudo de transição de fase quântica tão preciso que serve como o exemplo clássico de como o magnetismo funciona no nível quântico.
Ao organizá-los em quadros sequenciais e tirar imagens de átomos individuais, os pesquisadores podem até fazer vídeos divertidos de átomos. Crédito: Cortesia do grupo Lukin
Esses experimentos fornecem informações poderosas sobre as propriedades dos materiais subjacentes à física quântica e podem ajudar a mostrar aos cientistas como projetar novos materiais com propriedades exóticas.
O projeto usa uma versão significativamente atualizada de uma plataforma desenvolvida pelos pesquisadores em 2017, capaz de atingir um tamanho de 51 qubits. Esse sistema mais antigo permitiu que os pesquisadores capturassem átomos de rubídio ultrafrios e os organizassem em uma ordem específica usando uma matriz unidimensional de feixes de laser focados individualmente chamados de pinças ópticas.
Este novo sistema permite que os átomos sejam montados em matrizes bidimensionais de pinças ópticas. Isso aumenta o tamanho do sistema alcançável de 51 para 256 qubits. Usando as pinças, os pesquisadores podem organizar os átomos em padrões livres de defeitos e criar formas programáveis como treliças quadradas, favos de mel ou triangulares para projetar diferentes interações entre os qubits.
Dolev Bluvstein analisa o laser de 420 mm que permite controlar e emaranhar os átomos de Rydberg. Crédito: Universidade de Harvard
“O cavalo de batalha desta nova plataforma é um dispositivo chamado modulador de luz espacial, que é usado para moldar uma frente de onda óptica para produzir centenas de feixes de pinças ópticos focados individualmente”, disse Ebadi. “Esses dispositivos são essencialmente os mesmos que são usados dentro de um projetor de computador para exibir imagens em uma tela, mas os adaptamos para serem um componente crítico de nosso simulador quântico”.
O carregamento inicial dos átomos nas pinças ópticas é aleatório, e os pesquisadores devem mover os átomos para organizá-los em suas geometrias alvo. Os pesquisadores usam um segundo conjunto de pinças ópticas móveis para arrastar os átomos para os locais desejados, eliminando a aleatoriedade inicial. Os lasers dão aos pesquisadores controle total sobre o posicionamento dos qubits atômicos e sua manipulação quântica coerente.
Outros autores seniores do estudo incluem os professores de Harvard Subir Sachdev e Markus Greiner, que trabalharam no projeto junto com o professor do Instituto de Tecnologia de Massachusetts Vladan Vuletić, e cientistas de Stanford, da Universidade da Califórnia em Berkeley, da Universidade de Innsbruck na Áustria, da Universidade austríaca Academia de Ciências e QuEra Computing Inc. em Boston.
“Nosso trabalho faz parte de uma corrida global realmente intensa e de alta visibilidade para construir computadores quânticos maiores e melhores”, disse Tout Wang, pesquisador associado em física em Harvard e um dos autores do artigo. “O esforço geral [além do nosso] tem as principais instituições de pesquisa acadêmica envolvidas e grandes investimentos do setor privado do Google, IBM, Amazon e muitos outros.”
Os pesquisadores estão trabalhando atualmente para melhorar o sistema, melhorando o controle do laser sobre os qubits e tornando o sistema mais programável. Eles também estão explorando ativamente como o sistema pode ser usado para novas aplicações, desde sondar formas exóticas de matéria quântica até resolver problemas desafiadores do mundo real que podem ser naturalmente codificados nos qubits.
“Este trabalho permite um grande número de novas direções científicas”, disse Ebadi. “Não estamos nem perto dos limites do que pode ser feito com esses sistemas.”
Referência: “Fases quânticas da matéria em um simulador quântico programável de 256 átomos” por 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 de julho de 2021, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-021-03582-4
Este trabalho foi apoiado pelo Center for Ultracold Atoms, National Science Foundation, Vannevar Bush Faculty Fellowship, US Department of Energy, Office of Naval Research, Army Research Office MURI e o programa DARPA ONISQ.
