Twee onafhankelijke teams van wetenschappers, waaronder een van de University of Maryland (UMD) en het National Institute of Standards and Technology (NIST), hebben meer dan 50 op elkaar inwerkende atomaire qubits gebruikt om magnetische kwantummaterie na te bootsen, voorbij de complexiteit van eerdere demonstraties blazen. De resultaten verschijnen in het nummer van deze week van Natuur .

Als basis voor zijn kwantumsimulatie, het UMD-NIST-team zet tot 53 individuele ytterbium-ionen in - geladen atomen die op hun plaats worden vastgehouden door met goud beklede en vlijmscherpe elektroden. Een aanvullend ontwerp van Harvard- en MIT-onderzoekers maakt gebruik van 51 ongeladen rubidium-atomen die worden opgesloten door een reeks laserstralen. Met zoveel qubits staan ​​deze kwantumsimulators aan de vooravond van het verkennen van natuurkunde die zelfs voor de snelste moderne supercomputers onbereikbaar is. En het toevoegen van nog meer qubits is gewoon een kwestie van meer atomen in de mix stoppen.

"Elke ion-qubit is een stabiele atoomklok die perfect kan worden gerepliceerd, " zegt UMD-teamleider Christopher Monroe, die ook de mede-oprichter en hoofdwetenschapper is bij de startup IonQ Inc. "Ze zijn effectief verbonden met externe laserstralen. Dit betekent dat hetzelfde apparaat opnieuw kan worden geprogrammeerd en geconfigureerd, van de buitenkant, om zich aan te passen aan elk type kwantumsimulatie of toekomstige kwantumcomputertoepassing die zich voordoet." Monroe is een van de vroege pioniers in kwantumcomputing en de kwantumsimulator van zijn onderzoeksgroep maakt deel uit van een blauwdruk voor een kwantumcomputer voor algemene doeleinden.

Kwantumhardware voor een kwantumprobleem

Terwijl moderne, transistorgestuurde computers zijn geweldig om zich een weg te banen door veel problemen, ze kunnen krijsend tot stilstand komen als ze te maken hebben met meer dan 20 op elkaar inwerkende kwantumobjecten. Dat is zeker het geval voor kwantummagnetisme, waarin de interacties kunnen leiden tot magnetische uitlijning of tot een wirwar van concurrerende belangen op de kwantumschaal.

"Wat dit probleem moeilijk maakt, is dat elke magneet interageert met alle andere magneten, " zegt UMD-onderzoeker Zhexuan Gong, hoofdtheoreticus en co-auteur van het onderzoek. "Met de 53 op elkaar inwerkende kwantummagneten in dit experiment, er zijn meer dan een quadriljoen mogelijke magneetconfiguraties, en dit aantal verdubbelt met elke extra magneet. Het simuleren van dit grootschalige probleem op een conventionele computer is buitengewoon uitdagend, als het even kan."

Toen deze berekeningen een muur raakten, een kwantumsimulator kan wetenschappers helpen om moeilijke problemen tot een goed einde te brengen. Dit is een beperkt type kwantumcomputer die qubits gebruikt om complexe kwantummaterie na te bootsen. Qubits zijn geïsoleerde en goed gecontroleerde kwantumsystemen die zich in een combinatie van twee of meer toestanden tegelijk kunnen bevinden. Qubits zijn er in verschillende vormen, en atomen - de veelzijdige bouwstenen van alles - zijn een van de belangrijkste keuzes voor het maken van qubits. In recente jaren, wetenschappers hebben 10 tot 20 atomaire qubits gecontroleerd in kleinschalige kwantumsimulaties.

Momenteel, de giganten van de technologieindustrie, startups en universitaire onderzoekers zijn in een felle race om prototype kwantumcomputers te bouwen die nog meer qubits kunnen aansturen. Maar qubits zijn delicaat en moeten geïsoleerd blijven van de omgeving om de kwantumaard van het apparaat te beschermen. Met elke toegevoegde qubit wordt deze bescherming moeilijker, vooral als qubits vanaf het begin niet identiek zijn, zoals het geval is met gefabriceerde circuits. Dit is een van de redenen dat atomen een aantrekkelijke keuze zijn die het proces van opschaling naar grootschalige kwantummachines drastisch kan vereenvoudigen.

Een atomair voordeel

In tegenstelling tot de geïntegreerde schakelingen van moderne computers, atomaire qubits bevinden zich in een vacuümkamer op kamertemperatuur die een druk handhaaft die vergelijkbaar is met de ruimte. Deze isolatie is nodig om de destructieve omgeving op afstand te houden, en het stelt de wetenschappers in staat om de atomaire qubits nauwkeurig te controleren met een hoogontwikkeld netwerk van lasers, lenzen, spiegels, optische vezels en elektrische circuits.

"De principes van quantum computing verschillen radicaal van die van conventionele computing, dus er is geen reden om te verwachten dat deze twee technologieën iets op elkaar zullen lijken, ' zegt Monroe.

In de 53-qubit-simulator, de ionenqubits zijn gemaakt van atomen die allemaal dezelfde elektrische lading hebben en elkaar daarom afstoten. Maar als ze elkaar wegduwen, een elektrisch veld gegenereerd door een val dwingt ze weer samen. De twee effecten houden elkaar in evenwicht, en de ionen vormen één bestand. Natuurkundigen maken gebruik van de inherente afstoting om opzettelijke ion-naar-ion-interacties te creëren, die nodig zijn voor het simuleren van op elkaar inwerkende kwantummaterie.

De kwantumsimulatie begint met een laserpuls die alle qubits in dezelfde staat stuurt. Vervolgens, een tweede set laserstralen interageert met de ionenqubits, hen dwingen om zich als kleine magneten te gedragen, elk met een noord- en zuidpool. Het team doet deze tweede stap plotseling, die de qubits in actie brengt. Ze voelen zich verscheurd tussen twee keuzes, of fasen, van kwantummaterie. als magneten, ze kunnen ofwel hun polen uitlijnen met hun buren om een ​​ferromagneet te vormen of in willekeurige richtingen wijzen zonder magnetisatie op te leveren. De natuurkundigen kunnen de relatieve sterkte van de laserstralen veranderen en observeren welke fase wint onder verschillende lasercondities.

De hele simulatie duurt slechts enkele milliseconden. Door het proces vele malen te herhalen en de resulterende toestanden op verschillende punten tijdens de simulatie te meten, het team kan het proces van begin tot eind zien terwijl het zich ontvouwt. De onderzoekers observeren hoe de qubit-magneten zich organiseren als verschillende fasen worden gevormd, dynamiek die volgens de auteurs bijna onmogelijk te berekenen is met conventionele middelen als er zoveel interacties zijn.

Deze kwantumsimulator is geschikt voor het sonderen van magnetische materie en aanverwante problemen. Maar voor andere soorten berekeningen is misschien een meer algemene kwantumcomputer met willekeurig programmeerbare interacties nodig om een ​​boost te krijgen.

"Er wordt algemeen aangenomen dat kwantumsimulaties een van de eerste bruikbare toepassingen van kwantumcomputers zijn, " zegt Alexey Gorshkov, NIST theoretisch fysicus en co-auteur van de studie. "Na het perfectioneren van deze kwantumsimulators, we kunnen dan kwantumcircuits implementeren en uiteindelijk veel van dergelijke ionenketens met elkaar verbinden om een ​​volledige kwantumcomputer te bouwen met een veel breder toepassingsgebied."

Nu ze nog meer qubits willen toevoegen, het team is van mening dat de simulator zich op meer rekenkundig uitdagend terrein zal begeven, voorbij magnetisme. "We blijven ons systeem verfijnen, en we denken dat binnenkort, we zullen in staat zijn om 100 ionenqubits te controleren, of meer, " zegt Jiehang Zhang, de hoofdauteur van het onderzoek en postdoctoraal onderzoeker van de UMD. "Op dat punt, we kunnen potentieel moeilijke problemen in kwantumchemie of materiaalontwerp onderzoeken."