Zespół fizyków z Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms i innych uniwersytetów opracował specjalny rodzaj komputera kwantowego, znanego jako programowalny symulator kwantowy, który może działać z 256 bitami kwantowymi lub „kubitami”.
System stanowi duży krok w kierunku budowy wielkoskalowych maszyn kwantowych, które mogą być wykorzystane do rzucenia światła na wiele złożonych procesów kwantowych i ostatecznie pomóc w osiągnięciu rzeczywistych przełomów w materiałoznawstwie, technologiach komunikacyjnych, finansach i wielu innych dziedzinach. Kubity są podstawowymi elementami budulcowymi, na których działają komputery kwantowe i źródłem ich ogromnej mocy obliczeniowej.
„To przenosi tę dziedzinę w nową dziedzinę, w której nikt nigdy dotąd nie był” – powiedział Mikhail Lukin, profesor fizyki George Vasmer Leverett, współdyrektor Harvard Quantum Initiative i jeden z głównych autorów badania.
Według Sepehra Ebadi, studenta fizyki w Graduate School of Arts and Sciences i głównego autora badania, to właśnie połączenie niespotykanej wielkości i programowalności systemu stawia go w czołówce wyścigu o komputer kwantowy, który wykorzystuje tajemnicze właściwości materii w ekstremalnie małych skalach, aby znacznie zwiększyć moc przetwarzania. W odpowiednich warunkach wzrost kubitów oznacza, że system może przechowywać i przetwarzać wykładniczo więcej informacji niż klasyczne bity, na których działają standardowe komputery.
„Liczba stanów kwantowych, które są możliwe przy zaledwie 256 kubitach, przekracza liczbę atomów w Układzie Słonecznym” – powiedział Ebadi, wyjaśniając ogromny rozmiar układu.
Symulator pozwolił już naukowcom zaobserwować kilka egzotycznych stanów kwantowych materii, które nigdy wcześniej nie były realizowane eksperymentalnie, oraz przeprowadzić kwantowe badanie przejścia fazowego tak dokładne, że służy jako podręcznikowy przykład działania magnetyzmu na poziomie kwantowym.
Eksperymenty te dostarczają potężnego wglądu w fizykę kwantową leżącą u podstaw właściwości materiałów i mogą pomóc pokazać naukowcom, jak projektować nowe materiały o egzotycznych właściwościach.
Projekt wykorzystuje znacznie ulepszoną wersję platformy opracowanej przez badaczy w 2017 roku, która była w stanie osiągnąć rozmiar 51 kubitów. Ten starszy system umożliwił naukowcom wychwycenie ultrazimnych atomów rubidu i ułożenie ich w określonej kolejności za pomocą jednowymiarowego układu indywidualnie skupionych wiązek laserowych zwanych pęsetami optycznymi.
Ten nowy system pozwala na łączenie atomów w dwuwymiarowe układy szczypiec optycznych. Zwiększa to osiągalny rozmiar systemu z 51 do 256 kubitów. Za pomocą pęsety naukowcy mogą układać atomy w programowalne kształty, takie jak kwadratowe, o strukturze plastra miodu lub trójkątne, w celu zaprojektowania różnych interakcji między kubitami.
„Koniem roboczym tej nowej platformy jest urządzenie zwane przestrzennym modulatorem światła, które służy do kształtowania czoła fali optycznej w celu wytworzenia setek indywidualnie skupionych wiązek optycznych pęsety” – powiedział Ebadi. „Te urządzenia są zasadniczo takie same, jak te, które są używane w projektorze komputerowym do wyświetlania obrazów na ekranie, ale zaadaptowaliśmy je tak, aby były kluczowym elementem naszego symulatora kwantowego”.
Początkowe ładowanie atomów do pęsety optycznej jest losowe, a naukowcy muszą przesuwać atomy, aby ułożyć je w docelowej geometrii. Naukowcy używają drugiego zestawu ruchomych pęset optycznych, aby przeciągnąć atomy w żądane miejsca, eliminując początkową losowość. Lasery dają naukowcom pełną kontrolę nad położeniem kubitów atomowych i ich spójną manipulacją kwantową.
Inni starsi autorzy badania to profesorowie Harvardu Subir Sachdev i Markus Greiner, którzy pracowali nad projektem wraz z profesorem Massachusetts Institute of Technology Vladanem Vuleti, oraz naukowcy ze Stanford, University of California Berkeley, University of Innsbruck w Austrii, Austriacka Akademia Nauk oraz QuEra Computing Inc. w Bostonie.
„Nasza praca jest częścią naprawdę intensywnego, dobrze widocznego globalnego wyścigu w celu budowy większych i lepszych komputerów kwantowych” – powiedział Tout Wang, pracownik naukowy w dziedzinie fizyki na Harvardzie i jeden z autorów artykułu. „Całkowity wysiłek, poza naszymi, angażuje najlepsze akademickie instytucje badawcze i duże inwestycje z sektora prywatnego od Google, IBM, Amazon i wielu innych”.
Naukowcy pracują obecnie nad ulepszeniem systemu poprzez poprawę kontroli laserowej nad kubitami i uczynienie systemu bardziej programowalnym. Aktywnie badają również, w jaki sposób system można wykorzystać do nowych zastosowań, od sondowania egzotycznych form materii kwantowej po rozwiązywanie trudnych problemów świata rzeczywistego, które można naturalnie zakodować na kubitach.
„Ta praca otwiera ogromną liczbę nowych kierunków naukowych” – powiedział Ebadi. „Nie zbliżamy się do granic tego, co można zrobić z tymi systemami”.
