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 markeert een belangrijke stap in de richting van het bouwen van grootschalige kwantummachines die kunnen worden gebruikt om licht te werpen op een groot aantal complexe kwantumprocessen en uiteindelijk te helpen bij het tot stand brengen van echte doorbraken in de materiaalwetenschap, communicatietechnologieën, financiën, en vele andere velden, het overwinnen van onderzoekshindernissen die de mogelijkheden van zelfs de snelste supercomputers van vandaag te boven gaan. Qubits zijn de fundamentele bouwstenen waarop kwantumcomputers draaien en de bron van hun enorme rekenkracht.

"Dit verplaatst het veld naar een nieuw domein waar tot nu toe nog nooit iemand is geweest, " zei Michail Loekin, de George Vasmer Leverett hoogleraar natuurkunde, mededirecteur van het Harvard Quantum Initiative, en een van de senior auteurs van de studie die vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur . "We betreden een volledig nieuw deel van de kwantumwereld."

Volgens Sepehr Ebadi, een natuurkundestudent aan de Graduate School of Arts and Sciences en de hoofdauteur van de studie, het is de combinatie van de ongekende omvang en programmeerbaarheid van het systeem die het tot de voorhoede van de race voor een kwantumcomputer plaatst, die de mysterieuze eigenschappen van materie op extreem kleine schaal benut om de verwerkingskracht enorm te vergroten. Onder de juiste omstandigheden, de toename van qubits betekent dat het systeem exponentieel meer informatie kan opslaan en verwerken dan de klassieke bits waarop standaardcomputers draaien.

"Het aantal kwantumtoestanden dat mogelijk is met slechts 256 qubits overschrijdt het aantal atomen in het zonnestelsel, "Ebadi zei, wat de enorme omvang van het systeem verklaart.

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

Deze experimenten bieden krachtige inzichten in de kwantumfysica die ten grondslag ligt aan materiaaleigenschappen en kunnen wetenschappers helpen om nieuwe materialen met exotische eigenschappen te ontwerpen.

Het project maakt gebruik van een aanzienlijk verbeterde versie van een platform dat de onderzoekers in 2017 hebben ontwikkeld, die een grootte van 51 qubits kon bereiken. Dat oudere systeem stelde de onderzoekers in staat om ultrakoude rubidium-atomen te vangen en ze in een specifieke volgorde te rangschikken met behulp van een eendimensionale reeks individueel gefocusseerde laserstralen, optische pincetten genaamd.

Met dit nieuwe systeem kunnen de atomen worden geassembleerd in tweedimensionale arrays van optische pincetten. Dit verhoogt de haalbare systeemgrootte van 51 naar 256 qubits. Met behulp van de pincet, onderzoekers kunnen de atomen in foutloze patronen rangschikken en programmeerbare vormen creëren zoals vierkant, honingraat, of driehoekige roosters om verschillende interacties tussen de qubits te construeren.

"Het werkpaard van dit nieuwe platform is een apparaat dat de ruimtelijke lichtmodulator wordt genoemd, die wordt gebruikt om een ​​optisch golffront te vormen om honderden individueel gerichte optische pincetstralen te produceren, "zei Ebadi. "Deze apparaten zijn in wezen hetzelfde als wat in een computerprojector wordt gebruikt om afbeeldingen op een scherm weer te geven, maar we hebben ze aangepast om een ​​cruciaal onderdeel te zijn van onze kwantumsimulator."

Het aanvankelijke laden van de atomen in het optische pincet is willekeurig, en de onderzoekers moeten de atomen verplaatsen om ze in hun doelgeometrieën te rangschikken. De onderzoekers gebruiken een tweede set bewegende optische pincetten om de atomen naar hun gewenste locaties te slepen, het elimineren van de aanvankelijke willekeur. Lasers geven de onderzoekers volledige controle over de positionering van de atomaire qubits en hun coherente kwantummanipulatie.

Andere senior auteurs van de studie zijn onder meer Harvard Professors Subir Sachdev en Markus Greiner, die aan het project werkte samen met professor Vladan Vuletić van het Massachusetts Institute of Technology, en wetenschappers uit Stanford, de Universiteit van Californië, Berkeley, de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk, de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen, en QuEra Computing Inc. in Boston.

"Ons werk maakt deel uit van een heel intens, wereldwijde race met hoge zichtbaarheid om grotere en betere kwantumcomputers te bouwen, " zei Tout Wang, een onderzoeksmedewerker in de natuurkunde aan Harvard en een van de auteurs van het artikel. "De totale inspanning [buiten die van ons] heeft betrekking op academische toponderzoeksinstellingen en grote investeringen uit de particuliere sector van Google, IBM, Amazone, en vele anderen."

De onderzoekers werken momenteel aan verbetering van het systeem door lasercontrole over qubits te verbeteren en het systeem programmeerbaarder te maken. Ze onderzoeken ook actief hoe het systeem kan worden gebruikt voor nieuwe toepassingen, variërend van het onderzoeken van exotische vormen van kwantummaterie tot het oplossen van uitdagende problemen uit de echte wereld die van nature op de qubits kunnen worden gecodeerd.

"Dit werk maakt een groot aantal nieuwe wetenschappelijke richtingen mogelijk, "Zei Ebadi. "We zijn nog lang niet in de buurt van de grenzen van wat er met deze systemen kan worden gedaan."

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, De officiële krant van Harvard University. Voor aanvullend universiteitsnieuws, bezoek Harvard.edu.