Natuurkundigen van MIT en Harvard University hebben een nieuwe manier aangetoond om kwantumbits materie te manipuleren. In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuur , ze rapporteren dat ze een systeem van fijn afgestemde lasers gebruiken om eerst de interacties van 51 individuele atomen te vangen en vervolgens aan te passen, of kwantumbits.

De resultaten van het team vertegenwoordigen een van de grootste arrays van kwantumbits, bekend als qubits, die wetenschappers individueel hebben kunnen controleren. In hetzelfde nummer van Natuur , een team van de Universiteit van Maryland meldt een systeem van vergelijkbare grootte dat ingesloten ionen als kwantumbits gebruikt.

In de MIT-Harvard-benadering de onderzoekers genereerden een keten van 51 atomen en programmeerden ze om een ​​kwantumfase-overgang te ondergaan, waarin elk ander atoom in de keten werd aangeslagen. Het patroon lijkt op een staat van magnetisme die bekend staat als een antiferromagneet, waarin de spin van elk ander atoom of molecuul is uitgelijnd.

Het team beschrijft de array van 51 atomen als niet echt een generieke kwantumcomputer, die in theorie elk rekenprobleem zou moeten kunnen oplossen, maar een "kwantumsimulator" - een systeem van kwantumbits dat kan worden ontworpen om een ​​specifiek probleem te simuleren of om een ​​bepaalde vergelijking op te lossen, veel sneller dan de snelste klassieke computer.

Bijvoorbeeld, het team kan het patroon van atomen opnieuw configureren om nieuwe toestanden van materie en kwantumverschijnselen zoals verstrengeling te simuleren en te bestuderen. De nieuwe kwantumsimulator zou ook de basis kunnen zijn voor het oplossen van optimalisatieproblemen zoals het handelsreizigersprobleem, waarin een theoretische verkoper de kortste weg moet vinden om een ​​bepaalde lijst met steden te bezoeken. Kleine variaties van dit probleem komen voor in veel andere onderzoeksgebieden, zoals DNA-sequencing, het verplaatsen van een geautomatiseerde soldeerpunt naar veel soldeerpunten, of het routeren van datapakketten via verwerkingsknooppunten.

"Dit probleem is exponentieel moeilijk voor een klassieke computer, wat betekent dat het dit voor een bepaald aantal steden zou kunnen oplossen, maar als ik meer steden wilde toevoegen, het zou veel moeilijker worden, heel snel, " zegt studie co-auteur Vladan Vuleti?, de Lester Wolfe hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "Voor dit soort problemen je hebt geen kwantumcomputer nodig. Een simulator is goed genoeg om het juiste systeem te simuleren. Dus we denken dat deze optimalisatie-algoritmen de meest eenvoudige taken zijn om te bereiken."

Het werk werd uitgevoerd in samenwerking met Harvard-professoren Mikhail Lukin en Markus Greiner; MIT gastwetenschapper Sylvain Schwartz is ook co-auteur.

Afzonderlijk maar interactief

Quantumcomputers zijn grotendeels theoretische apparaten die potentieel enorm gecompliceerde berekeningen kunnen uitvoeren in een fractie van de tijd die nodig is voor 's werelds krachtigste klassieke computer. Ze zouden dit doen door middel van qubits - gegevensverwerkingseenheden die, in tegenstelling tot de binaire bits van klassieke computers, kan tegelijkertijd in een positie van 0 en 1 zijn. Deze kwantumeigenschap van superpositie stelt een enkele qubit in staat om twee afzonderlijke stromen van berekeningen tegelijkertijd uit te voeren. Het toevoegen van extra qubits aan een systeem kan de berekeningen van een computer exponentieel versnellen.

Maar grote wegversperringen hebben wetenschappers verhinderd om een ​​volledig operationele kwantumcomputer te realiseren. Eén zo'n uitdaging:hoe je qubits met elkaar kunt laten communiceren terwijl ze niet betrokken zijn bij hun omgeving.

"We weten dat dingen heel gemakkelijk klassiek worden als ze in wisselwerking staan ​​met de omgeving, dus je hebt [qubits] nodig om super geïsoleerd te zijn, " zegt Vuleti?, die lid is van het Research Laboratory of Electronics en het MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. "Anderzijds, ze moeten sterk interageren met een andere qubit."

Sommige groepen bouwen kwantumsystemen met ionen, of geladen atomen, als qubits. Ze vangen of isoleren de ionen van de rest van de omgeving met behulp van elektrische velden; eens gevangen, de ionen hebben een sterke wisselwerking met elkaar. Maar veel van deze interacties zijn sterk afstotend, zoals magneten met dezelfde oriëntatie, en zijn daarom moeilijk te controleren, vooral in systemen met veel ionen.

Andere onderzoekers experimenteren met supergeleidende qubits - kunstmatige atomen die zijn gefabriceerd om zich op een kwantummanier te gedragen. Maar Vuleti? zegt dat dergelijke gefabriceerde qubits hun nadelen hebben in vergelijking met die gebaseerd op echte atomen.

"Per definitie, elk atoom is hetzelfde als elk ander atoom van dezelfde soort, " Zegt Vuleti? "Maar als je ze met de hand bouwt, dan heb je verzinsels, zoals iets andere overgangsfrequenties, koppelingen, enzovoort."

De val zetten

Vuleti? en zijn collega's kwamen met een derde benadering voor het bouwen van een kwantumsysteem, neutrale atomen gebruiken - atomen die geen elektrische lading bevatten - als qubits. In tegenstelling tot ionen, neutrale atomen stoten elkaar niet af, en ze hebben inherent identieke eigenschappen, in tegenstelling tot gefabriceerde supergeleidende qubits.

In eerder werk, de groep bedacht een manier om individuele atomen te vangen, door een laserstraal te gebruiken om eerst een wolk rubidium-atomen af ​​te koelen tot bijna het absolute nulpunt, hun beweging tot een bijna stilstand vertragen. Ze gebruiken dan een tweede laser, opgesplitst in meer dan 100 balken, om individuele atomen op hun plaats te houden en vast te houden. Ze kunnen de wolk in beeld brengen om te zien welke laserstralen een atoom hebben gevangen, en kan bepaalde stralen uitschakelen om die vallen zonder atoom te verwijderen. Ze herschikken dan alle vallen met atomen, een geordend maken, defectvrije reeks qubits.

Met deze techniek, hebben de onderzoekers een kwantumketen van 51 atomen kunnen bouwen, allemaal gevangen in hun grondtoestand, of laagste energieniveau.

In hun nieuwe krant het team meldt een stap verder te gaan, om de interacties van deze 51 ingesloten atomen te controleren, een noodzakelijke stap in de richting van het manipuleren van individuele qubits. Om dit te doen, ze schakelden tijdelijk de laserfrequenties uit die oorspronkelijk de atomen opsloten, waardoor het kwantumsysteem op natuurlijke wijze kan evolueren.

Vervolgens stelden ze het evoluerende kwantumsysteem bloot aan een derde laserstraal om te proberen de atomen te prikkelen tot wat bekend staat als een Rydberg-toestand - een toestand waarin een van de elektronen van een atoom wordt geëxciteerd tot een zeer hoge energie in vergelijking met de rest van de atomen. elektronen. Eindelijk, ze schakelden de atoomvangende laserstralen weer in om de uiteindelijke toestand van de individuele atomen te detecteren.

"Als alle atomen in de grondtoestand beginnen, het blijkt dat wanneer we proberen alle atomen in deze aangeslagen toestand te brengen, de toestand die ontstaat is er een waarin elk tweede atoom wordt aangeslagen, ' Zegt Vuleti? 'Dus de atomen maken een kwantumfase-overgang naar iets dat lijkt op een antiferromagneet.'

De overgang vindt alleen plaats in elk ander atoom vanwege het feit dat atomen in Rydberg-staten zeer sterk met elkaar interageren, en het zou veel meer energie kosten om twee naburige atomen naar Rydberg-staten te exciteren dan de laser kan leveren.

Vuleti? zegt dat de onderzoekers de interacties tussen atomen kunnen veranderen door de rangschikking van opgesloten atomen te veranderen, evenals de frequentie of kleur van de atoom-opwindende laserstraal. Bovendien, het systeem kan eenvoudig worden uitgebreid.

"We denken dat we het kunnen opschalen tot een paar honderd, " Zegt Vuleti? "Als je dit systeem als kwantumcomputer wilt gebruiken, het wordt interessant in de orde van 100 atomen, afhankelijk van welk systeem je probeert te simuleren."

Voor nu, de onderzoekers zijn van plan het 51-atoomsysteem te testen als een kwantumsimulator, specifiek over optimalisatieproblemen met padplanning die kunnen worden opgelost met behulp van adiabatische kwantumcomputing - een vorm van kwantumcomputing die voor het eerst werd voorgesteld door Edward Farhi, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde aan het MIT.

Adiabatische kwantumcomputing stelt voor dat de grondtoestand van een kwantumsysteem de oplossing voor het probleem van belang beschrijft. Wanneer dat systeem kan worden ontwikkeld om het probleem zelf te veroorzaken, de eindtoestand van het systeem kan de oplossing bevestigen.

"Je kunt beginnen met het voorbereiden van het systeem in een eenvoudige en bekende staat met de laagste energie, bijvoorbeeld alle atomen in hun grondtoestanden, vervorm het dan langzaam om het probleem weer te geven dat u wilt oplossen, bijvoorbeeld, het handelsreizigersprobleem, " Zegt Vuleti? "Het is een langzame verandering van sommige parameters in het systeem, dat is precies wat we in dit experiment doen. Ons systeem is dus gericht op deze adiabatische kwantumcomputerproblemen."