Физики делают большой шаг в гонке к квантовым вычислениям

Группа физиков из Центра ультрахолодных атомов Гарварда-Массачусетского технологического института и других университетов разработала квантовый компьютер особого типа, известный как программируемый квантовый симулятор, способный работать с 256 квантовыми битами или «кубитами».

Эта система знаменует собой важный шаг на пути к созданию крупномасштабных квантовых машин, которые можно использовать, чтобы пролить свет на множество сложных квантовых процессов и, в конечном итоге, помочь совершить реальные прорывы в материаловедении, коммуникационных технологиях, финансах и многих других областях. преодоление исследовательских препятствий, которые сегодня выходят за рамки возможностей даже самых быстрых суперкомпьютеров. Кубиты — это фундаментальные строительные блоки, на которых работают квантовые компьютеры, и источник их огромной вычислительной мощности.

«Это перемещает область в новую область, в которой до сих пор никто никогда не бывал», — сказал Михаил Лукин, профессор физики Джорджа Фасмера Леверетта, содиректор Гарвардской квантовой инициативы и один из главных авторов исследования. опубликовано сегодня в журнале Nature . «Мы входим в совершенно новую часть квантового мира».

По словам Сепера Эбади, студента-физика Высшей школы искусств и наук и ведущего автора исследования, именно сочетание беспрецедентного размера системы и программируемости ставит ее на передний край гонки за квантовый компьютер, который использует загадочные свойства материи в чрезвычайно малых масштабах для значительного увеличения вычислительной мощности. При правильных обстоятельствах увеличение кубитов означает, что система может хранить и обрабатывать экспоненциально больше информации, чем классические биты, на которых работают стандартные компьютеры.

«Количество квантовых состояний, которые возможны только с 256 кубитами, превышает количество атомов в солнечной системе», — сказал Эбади, объясняя огромные размеры системы.

Симулятор уже позволил исследователям наблюдать несколько экзотических квантовых состояний материи, которые никогда раньше не были реализованы экспериментально, и провести исследование квантовых фазовых переходов с такой точностью, что они служат примером из учебника того, как магнетизм работает на квантовом уровне.

Эти эксперименты дают глубокое понимание квантовой физики, лежащей в основе свойств материалов, и могут помочь ученым разрабатывать новые материалы с экзотическими свойствами.

В проекте используется значительно обновленная версия платформы, разработанной исследователями в 2017 году, которая может достигать размера 51 кубита. Эта старая система позволила исследователям захватывать сверххолодные атомы рубидия и располагать их в определенном порядке с помощью одномерного массива индивидуально сфокусированных лазерных лучей, называемых оптическим пинцетом.

Эта новая система позволяет собирать атомы в двумерные массивы оптического пинцета. Это увеличивает достижимый размер системы с 51 до 256 кубитов. Используя пинцет, исследователи могут расположить атомы в бездефектных узорах и создать программируемые формы, такие как квадратные, сотовые или треугольные решетки, для создания различных взаимодействий между кубитами.

«Рабочей лошадкой этой новой платформы является устройство, называемое пространственным модулятором света, которое используется для формирования оптического волнового фронта для создания сотен индивидуально сфокусированных оптических пучков пинцета», — сказал Эбади. «Эти устройства по сути такие же, как то, что используется внутри компьютерного проектора для отображения изображений на экране, но мы адаптировали их, чтобы они стали критически важным компонентом нашего квантового симулятора».

Первоначальная загрузка атомов в оптический пинцет случайна, и исследователи должны перемещать атомы, чтобы расположить их в соответствии с их целевой геометрией. Исследователи используют второй набор движущихся оптических пинцетов, чтобы перетащить атомы в желаемое место, устраняя первоначальную случайность. Лазеры дают исследователям полный контроль над расположением атомных кубитов и их когерентной квантовой манипуляцией.

Среди других ведущих авторов исследования профессора Гарварда Субир Сачдев и Маркус Грейнер, которые работали над проектом вместе с профессором Массачусетского технологического института Владаном Вулети, а также ученые из Стэнфорда, Калифорнийского университета в Беркли, Университета Инсбрука в Австрии, Австрийская академия наук и QuEra Computing Inc. в Бостоне.

«Наша работа является частью действительно интенсивной и заметной глобальной гонки за создание более крупных и лучших квантовых компьютеров», — сказал Тут Ван, научный сотрудник Гарварда по физике и один из авторов статьи. «В общих усилиях [помимо наших собственных] участвуют ведущие академические исследовательские институты и крупные частные инвестиции от Google, IBM, Amazon и многих других».

В настоящее время исследователи работают над улучшением системы, улучшая лазерный контроль над кубитами и делая систему более программируемой. Они также активно изучают, как систему можно использовать для новых приложений, от исследования экзотических форм квантовой материи до решения сложных реальных проблем, которые можно естественным образом закодировать на кубитах.

«Эта работа открывает огромное количество новых научных направлений», — сказал Эбади. «Мы далеки от пределов того, что можно сделать с этими системами».

Эта работа была поддержана Центром ультрахолодных атомов, Национальным научным фондом, стипендиатом факультета Ванневара Буша, Министерством энергетики США, Управлением военно-морских исследований, Управлением армейских исследований MURI и программой DARPA ONISQ.