Komanda kuria 256 kubitų imitatorių, didžiausią tokio tipo modelį.

Harvardo-MIT ultravioletinių atomų centro ir kitų universitetų fizikų komanda sukūrė specialų kvantinių kompiuterių tipą, žinomą kaip programuojamas kvantinis imitatorius, galintis veikti su 256 kvantiniais bitais arba „kubitais“.

Sistema yra svarbus žingsnis kuriant didelio masto kvantines mašinas, kurios gali būti naudojamos norint išsiaiškinti įvairius sudėtingus kvantinius procesus ir galiausiai padėti pasiekti realaus pasaulio proveržius medžiagų mokslo, ryšių technologijų, finansų ir daugelyje kitų sričių, įveikti. tyrimų kliūtys, viršijančios net greičiausių įrenginių galimybes. Šiandieninis superkompiuteris. Kvebitai yra kvantinių kompiuterių pagrindas ir milžiniškos jų apdorojimo galios šaltinis.

„Tai perkelia šią sritį į naują sritį, į kurią dar niekas neišėjo“, – sakė George’o Vasmerio Leverto fizikos profesorius Michailas Lukinas, Harvardo kvantinės iniciatyvos direktorius ir vienas iš vyresnių tyrimo autorių. Paskelbta 2021 m. Liepos 7 d. Žurnale gamta. „Mes įžengiame į visiškai naują kvantinio pasaulio dalį”.

Dolevas Bluvsteinas (iš kairės), Michailas Lukinas ir Sepehras Ebadi sukūrė specialų kvantinių kompiuterių tipą, žinomą kaip programuojamas kvantinis simuliatorius. „Abadi“ išlygina įrenginį, leidžiantį jiems sukurti programuojamus optinius pincetus. Autorius: Rose Lincoln / Harvardo fotografas

Pasak Dailės ir mokslo aukštosios mokyklos fizikos studento, pagrindinio tyrimo autoriaus Sepehro Ebadi, precedento neturinčio sistemos dydžio ir programuojamumo derinys yra tai, kas ją iškelia į priekį kvantinio kompiuterio varžybose, kurios panaudoja paslaptingos materijos savybės itin mažais mastais, kad dramatiškai padidintų apdorojimo galią. Tinkamomis sąlygomis kubitų padidėjimas reiškia, kad sistema gali saugoti ir apdoroti daug kartų daugiau informacijos nei tradiciniai bitai, kuriais veikia standartiniai kompiuteriai.

„Kvantinių būsenų, galimų naudojant tik 256 kubitus, skaičius viršija atomų skaičių Saulės sistemoje“, – sakė Ebadi, paaiškindamas didžiulį sistemos dydį.

Jau simuliatorius leido tyrėjams stebėti daugybę keistų materijos būsenų, kurios anksčiau nebuvo eksperimentiškai realizuotos, ir atlikti kvantinės fazės perėjimo tyrimą taip tiksliai, kad tai būtų vadovėlio pavyzdys, kaip magnetas veikia kvantiniame lygyje.

Sudėliodami juos į nuoseklius rėmus ir nufotografuodami pavienius atomus, tyrėjai netgi gali pasijuokti iš atomų vaizdo įrašų. Kreditas: „Lukin. Group“ sutikimas

Šie eksperimentai suteikia galingų žinių apie kvantinei fizikai būdingas medžiagų savybes ir gali padėti mokslininkams parodyti, kaip sukurti naujas egzotinių savybių medžiagas.

Projekte naudojama gerokai patobulinta platformos tyrėjų versija, sukurta 2017 m., Kuri sugebėjo pasiekti 51 kubito dydį. Ši senesnė sistema leido tyrėjams pasiimti ypač šaltus rubidžio atomus ir išdėstyti juos tam tikra tvarka, naudojant vienmatį individualiai fokusuotų lazerių, vadinamų optiniais pincetais, masyvą.

Ši nauja sistema leidžia atomus sugrupuoti į dviejų matmenų matricas iš optinių pincetų. Tai padidina pasiekiamą sistemos dydį nuo 51 iki 256 kubitų. Naudodamiesi pincetu, mokslininkai gali išdėstyti atomus nepriekaištingais raštais ir sukurti programuojamas formas, tokias kaip kvadratinės, korio ar trikampio gardelės, kad suprastų skirtingą sąveiką tarp kubitų.

Dolevas Bluvsteinas žiūri į 420 mm lazerį, kuris leidžia jai valdyti ir įpainioti Rydbergo atomus. Kreditas: Harvardo universitetas

„Šios naujos platformos pagrindas yra įrenginys, vadinamas erdviniu šviesos davikliu, kuris naudojamas formuoti optinę bangos frontą, kad būtų gaminami šimtai individualiai sutelktų optinių pincetų pluoštų“, – sakė Ebadi. „Šie įrenginiai iš esmės yra tokie patys, kaip ir kompiuterio monitoriuje, kad vaizdai būtų rodomi ekrane, tačiau mes juos pritaikėme kaip svarbų mūsų kvantinio treniruoklio komponentą.”

Pradinis atomų įkrovimas į optinius pincetus yra atsitiktinis, ir mokslininkai turi judinti atomus, kad išdėstytų juos taikinio geometrijoje. Tyrėjai panaudojo antrą judančių optinių pincetų rinkinį, kad atomus ištrauktų į norimas vietas, pašalindami pradinį atsitiktinumą. Lazeris suteikia tyrėjams galimybę visiškai kontroliuoti atominių kubitų nustatymą ir nuoseklų manipuliavimą kvantais.

Tarp kitų vyresnių tyrimo autorių yra Harvardo profesoriai Suberis Sachdevas ir Markusas Grenieras, dirbę prie projekto kartu su MIT profesoriumi Vladanu Voletichu, ir mokslininkai iš Stanfordo, UC Berkeley, Insbruko universiteto Austrijoje ir Austrijos. Mokslų akademija ir „QuEra Computing Inc.“ Bostone.

„Mūsų darbas yra tikrai intensyvios, raiškios pasaulinės varžybos dėl didesnių ir geresnių kvantinių kompiuterių kūrimas”, – sakė Harvardo universiteto fizikos mokslų bendradarbis Tootas Wangas ir vienas iš šio straipsnio autorių. „Bendros pastangos [beyond our own] Jame yra geriausiai dalyvaujančios akademinių tyrimų institucijos ir reikšmingos privataus sektoriaus investicijos iš „Google“, IBM, „Amazon“ ir daugelio kitų. “

Mokslininkai šiuo metu dirba tobulindami sistemą, tobulindami kubitų lazerinį valdymą ir padarydami sistemą labiau programuojamą. Jie taip pat aktyviai tiria, kaip sistema gali naudoti naujas programas, pradedant keistų kvantinės materijos formų tyrinėjimu ir baigiant iššūkiu realaus pasaulio problemomis, kurias natūraliai galima užkoduoti kubituose.

„Šis darbas atveria daugybę naujų mokslo krypčių”, – sakė Ebadi. „Mes nesame artimi riboms, ką galima padaryti naudojant šias sistemas”.

Nuoroda: „Kvantinės materijos fazės programuojamame 256 atomų kvantiniame simuliatoriuje“, autoriai Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rhin Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho, Sunonas Choi, Subiras Sachdevas, Markusas Greineris, Vladanas Volichas ir Michailas De Lukenas, 2021 m. Liepos 7 d., gamta.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03582-4

Šį darbą rėmė Ultracoldo atomų centras, Nacionalinis mokslo fondas, Vannevaro Busho koledžo stipendija, JAV Energetikos departamentas, Karinių jūrų tyrimų biuras, MURI armijos tyrimų biuras ir DARPA ONISQ programa.