Doorbraak in kwantumcomputing Harvard University – MIT – ‘We betreden een heel nieuw deel van de kwantumwereld’

Het team ontwikkelt een simulator van 256 qubit, de grootste in zijn soort ooit.

Een team van natuurkundigen van het Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms en andere universiteiten heeft een speciaal type kwantumcomputer ontwikkeld die bekend staat als een programmeerbare kwantumsimulator die kan werken met 256 kwantumbits of ‘qubits’.

Het systeem is een belangrijke stap in de richting van het bouwen van grootschalige kwantummachines die kunnen worden gebruikt om licht te werpen op een reeks complexe kwantumprocessen en uiteindelijk te helpen bij het bereiken van echte doorbraken op het gebied van materiaalwetenschap, communicatietechnologieën, financiën en vele andere gebieden. onderzoekshindernissen die de mogelijkheden van zelfs de snelste apparaten overtreffen De supercomputer van vandaag. Qubits zijn de bouwstenen van kwantumcomputers en de bron van hun enorme rekenkracht.

“Het verplaatst dit veld naar een nieuw veld waar nog niemand op is ingegaan”, zegt Mikhail Lukin, hoogleraar natuurkunde aan George Vasmer Levert, mededirecteur van het Harvard Quantum Initiative, en een van de senior auteurs van het onderzoek. Gepubliceerd op 7 juli 2021 in het magazine natuur. “We betreden een heel nieuw deel van de kwantumwereld.”

Dolev Blufstein, Mikhail Lukin en Spiehr Ebadi

Dolev Bluvstein (van links), Mikhail Lukin en Sepehr Ebadi hebben een speciaal type kwantumcomputer ontwikkeld die bekend staat als een programmeerbare kwantumsimulator. Abadi lijnt een apparaat uit waarmee ze programmeerbare optische pincetten kunnen maken. Krediet: Rose Lincoln / Harvard-fotograaf

Volgens Sepehr Ebadi, een student natuurkunde aan de Graduate School of Arts and Sciences en hoofdauteur van de studie, is de combinatie van de ongekende omvang en programmeerbaarheid van het systeem wat het tot de voorhoede maakt van de race voor een kwantumcomputer, die gebruik maakt van de mysterieuze eigenschappen van materie op extreem kleine schaal om de verwerkingskracht drastisch te vergroten. Onder de juiste omstandigheden zorgt de toename van qubits ervoor dat het systeem vele malen meer informatie kan opslaan en verwerken dan de traditionele bits waar standaard computers op draaien.

READ  De CDC zegt dat een specifiek merk kaas nu is gekoppeld aan de listeria-uitbraak

“Het aantal mogelijke kwantumtoestanden met slechts 256 qubits overschrijdt het aantal atomen in het zonnestelsel”, zei Ebadi, die de enorme omvang van het systeem uitlegt.

De simulator heeft onderzoekers al in staat gesteld om veel vreemde kwantumtoestanden van materie te observeren die nog niet eerder experimenteel waren gerealiseerd, en om een ​​kwantumfaseovergangsstudie uit te voeren die zo nauwkeurig is dat het dient als een schoolvoorbeeld van hoe magnetisme werkt op kwantumniveau.

Leuke video Atom

Door ze in opeenvolgende frames te rangschikken en foto’s te maken van afzonderlijke atomen, kunnen onderzoekers zelfs grappen maken over atoomvideo’s. Krediet: met dank aan Lukin. Groep

Deze experimenten bieden krachtige inzichten in de eigenschappen van materialen die inherent zijn aan de kwantumfysica en kunnen wetenschappers helpen om te laten zien hoe nieuwe materialen met exotische eigenschappen kunnen worden ontworpen.

Het project maakt gebruik van een aanzienlijk verbeterde versie van het platform dat onderzoekers in 2017 hebben ontwikkeld, die een grootte van 51 qubits kon bereiken. Met dit oudere systeem konden onderzoekers ultrakoude rubidiumatomen oppikken en ze in een specifieke volgorde rangschikken met behulp van een eendimensionale reeks individueel gefocuste lasers, optische pincetten genaamd.

Met dit nieuwe systeem kunnen atomen worden gegroepeerd in tweedimensionale arrays van een optisch pincet. Dit vergroot de haalbare systeemgrootte van 51 naar 256 qubits. Met behulp van een pincet kunnen onderzoekers atomen in onberispelijke patronen rangschikken en programmeerbare vormen creëren, zoals vierkante, honingraat- of driehoekige roosters om verschillende interacties tussen qubits te realiseren.

Dolev Bluffstein

Dolev Bluvstein kijkt naar een 420 mm-laser waarmee ze Rydbergs atomen kan controleren en verstrengelen. Krediet: Harvard University

“De ruggengraat van dit nieuwe platform is een apparaat dat een ruimtelijke lichttransducer wordt genoemd en dat wordt gebruikt om een ​​optisch golffront te vormen om honderden individueel gefocusseerde optische pincetstralen te produceren”, zei Ebadi. “Deze apparaten zijn in principe hetzelfde als wat er in een computermonitor wordt gebruikt om afbeeldingen op een scherm weer te geven, maar we hebben ze aangepast om een ​​belangrijk onderdeel van onze kwantumsimulator te worden.”

READ  NASA's Mars-sonde landt in minder dan een maand op de rode planeet!

Het aanvankelijke laden van atomen in het optische pincet is willekeurig en onderzoekers moeten de atomen verplaatsen om ze in de doelgeometrieën te rangschikken. De onderzoekers gebruikten een tweede set bewegende optische pincetten om de atomen in hun gewenste positie te trekken, waardoor de aanvankelijke willekeur werd geëlimineerd. De laser geeft onderzoekers volledige controle over het lokaliseren van atomaire qubits en hun coherente kwantummanipulatie.

Andere senior auteurs van de studie zijn onder meer Harvard-professoren Suber Sachdev en Markus Grenier, die samen met MIT-professor Vladan Voletich aan het project werkten, en wetenschappers van Stanford, UC Berkeley, de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk en Oostenrijk. Academie van Wetenschappen en QuEra Computing Inc. in Boston.

“Ons werk maakt deel uit van een echt intense, high-definition wereldwijde race om grotere en betere kwantumcomputers te bouwen”, zegt Toot Wang, een onderzoeksmedewerker in de natuurkunde aan de Harvard University en een van de auteurs van het artikel. “Algemene inspanning [beyond our own] Het heeft de best deelnemende academische onderzoeksinstellingen en aanzienlijke investeringen uit de particuliere sector van Google, IBM, Amazon en nog veel meer.”

De onderzoekers werken momenteel aan verbetering van het systeem door de laserbesturing van de qubits te verbeteren en het systeem beter programmeerbaar te maken. Ze onderzoeken ook actief hoe het systeem nieuwe toepassingen kan gebruiken, van het verkennen van de vreemde vormen van kwantummaterie tot het oplossen van uitdagende problemen uit de echte wereld die op natuurlijke wijze op qubits kunnen worden gecodeerd.

“Dit werk opent een groot aantal nieuwe wetenschappelijke richtingen”, zei Ebadi. “We zitten niet in de buurt van de limieten van wat er met deze systemen kan worden gedaan.”

READ  NASA deelt een verbluffend beeld van een spiraalvormig sterrenstelsel met een goed gedefinieerde centrale band en lange armen

Referentie: “Quantum Phases of Matter on a 256-Atom Programmeble Quantum Simulator” door Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rhin Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho, Sunon Choi, Subir Sachdev, Markus Greiner, Vladan Volich en Mikhail De Luken, 7 juli 2021, natuur.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03582-4

Dit werk werd ondersteund door het Ultracold Atoms Center, de National Science Foundation, een Vannevar Bush College Fellowship, het Amerikaanse ministerie van energie, het Office of Naval Research, het MURI Army Research Office en het DARPA ONISQ-programma.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *