Команда розробляє симулятор із 256 кубітів, найбільший із коли-небудь створених у своєму роді.
Команда фізиків із Центру ультрахолодних атомів Гарвардського Массачусетського технологічного інституту та інших університетів розробила особливий тип квантового комп’ютера, відомий як програмований квантовий симулятор, здатний працювати з 256 квантовими бітами або «кубітами».
Ця система знаменує собою важливий крок до створення великомасштабних квантових машин, які можна використовувати для проливання світла на безліч складних квантових процесів і, зрештою, сприяння здійсненню реальних проривів у матеріалознавстві, комунікаційних технологіях, фінансах та багатьох інших галузях, подолання дослідницьких перешкод, які виходять за межі можливостей навіть найшвидших суперкомп’ютерів сьогодні. Кубіти є фундаментальними будівельними блоками, на яких працюють квантові комп’ютери, і джерелом їх величезної обчислювальної потужності.
«Це переносить галузь у нову область, де досі ніхто ніколи не був», — сказав Михайло Лукін, професор фізики імені Джорджа Васмера Леверетта, співдиректор Гарвардської квантової ініціативи та один із старших авторів дослідження. опубліковано 7 липня 2021 року в журн природа. «Ми входимо в абсолютно нову частину квантового світу».
Долев Блувштайн (зліва), Михайло Лукін і Сепер Ебаді розробили особливий тип квантового комп’ютера, відомий як програмований квантовий симулятор. Ebadi налаштовує пристрій, який дозволяє їм створювати програмовані оптичні пінцети. Авторство: Роуз Лінкольн/штатний фотограф Гарварду
За словами Сепера Ебаді, студента фізики Вищої школи мистецтв і наук і провідного автора дослідження, саме поєднання безпрецедентного розміру системи та можливості програмування ставить її на передовий край гонки за квантовий комп’ютер, який використовує таємничі властивості матерії в надзвичайно малих масштабах для значного підвищення потужності обробки. За відповідних обставин збільшення кубітів означає, що система може зберігати й обробляти експоненціально більше інформації, ніж класичні біти, на яких працюють стандартні комп’ютери.
«Кількість квантових станів, які можливі лише з 256 кубітами, перевищує кількість атомів у Сонячній системі», — сказав Ебаді, пояснюючи величезний розмір системи.
Симулятор вже дозволив дослідникам спостерігати кілька екзотичних квантових станів матерії, які ніколи раніше не були реалізовані експериментально, і виконати дослідження квантового фазового переходу настільки точно, що воно служить хрестоматійним прикладом того, як магнетизм працює на квантовому рівні.
Розмістивши їх у послідовних кадрах і зробивши зображення окремих атомів, дослідники можуть навіть створювати веселі відео з атомами. Авторство: надано Lukin group
Ці експерименти дають потужне розуміння квантової фізики, що лежить в основі властивостей матеріалу, і можуть допомогти вченим показати, як створювати нові матеріали з екзотичними властивостями.
У проекті використовується значно оновлена версія платформи, розробленої дослідниками в 2017 році, яка була здатна досягти розміру в 51 кубіт. Ця стара система дозволяла дослідникам захоплювати ультрахолодні атоми рубідію та розташовувати їх у певному порядку за допомогою одновимірного масиву індивідуально сфокусованих лазерних променів, які називаються оптичними пінцетами.
Ця нова система дозволяє збирати атоми в двовимірні масиви оптичних пінцетів. Це збільшує досяжний розмір системи з 51 до 256 кубітів. Використовуючи пінцет, дослідники можуть розташовувати атоми без дефектів і створювати програмовані форми, як-от квадратні, стільникові або трикутні решітки, щоб створювати різні взаємодії між кубітами.
Dolev Bluvstein розглядає 420-мм лазер, який дозволяє їм контролювати та заплутувати атоми Рідберга. Авторство: Гарвардський університет
«Робочою конячкою цієї нової платформи є пристрій під назвою просторовий модулятор світла, який використовується для формування оптичного хвильового фронту для створення сотень індивідуально сфокусованих пучків оптичного пінцета», — сказав Ебаді. «Ці пристрої по суті такі ж, як і те, що використовується всередині комп’ютерного проектора для відображення зображень на екрані, але ми адаптували їх, щоб стати критичним компонентом нашого квантового симулятора».
Початкове завантаження атомів в оптичний пінцет є випадковим, і дослідники повинні переміщати атоми, щоб розташувати їх у цільових геометріях. Дослідники використовують другий набір рухомих оптичних пінцетів, щоб перетягнути атоми в потрібні місця, усуваючи початкову випадковість. Лазери дають дослідникам повний контроль над розташуванням атомних кубітів і їх когерентною квантовою маніпуляцією.
Серед інших старших авторів дослідження – професори Гарварду Субір Сачдев і Маркус Грейнер, які працювали над проектом разом із професором Массачусетського технологічного інституту Владаном Вулетичем, а також вчені зі Стенфорда, Каліфорнійського університету в Берклі, Університету Інсбрука в Австрії, Австрійського університету. Академії наук і QuEra Computing Inc. у Бостоні.
«Наша робота є частиною справді інтенсивної, помітної глобальної гонки за створення більших і кращих квантових комп’ютерів», — сказав Тоут Ван, науковий співробітник з фізики в Гарварді та один із авторів статті. «У загальних зусиллях [крім наших власних] задіяні провідні академічні дослідницькі установи та великі інвестиції приватного сектора від Google, IBM, Amazon та багатьох інших».
Зараз дослідники працюють над удосконаленням системи, вдосконаливши лазерний контроль кубітів і зробивши систему більш програмованою. Вони також активно досліджують, як систему можна використовувати для нових застосувань, починаючи від дослідження екзотичних форм квантової матерії і закінчуючи вирішенням складних проблем реального світу, які можуть бути природним чином закодовані на кубітах.
«Ця робота відкриває величезну кількість нових наукових напрямків», — сказав Ебаді. «Ми далеко не межі того, що можна зробити з цими системами».
Довідка: «Квантові фази матерії на 256-атомному програмованому квантовому симуляторі» Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rhine Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho, Сунвон Чой, Субір Сачдев, Маркус Грейнер, Владан Вулетич і Михайло Д. Лукін, 7 липня 2021 р. природа.
DOI: 10.1038/s41586-021-03582-4
Ця робота була підтримана Центром ультрахолодних атомів, Національним науковим фондом, стипендією факультету Ванневара Буша, Міністерством енергетики США, Управлінням військово-морських досліджень, Дослідницьким офісом армії MURI та програмою DARPA ONISQ.
