Durchbruch im Quantencomputing Harvard University – MIT – „Wir betreten einen ganz neuen Teil der Quantenwelt“

Das Team entwickelt einen 256-Qubit-Simulator, den größten seiner Art aller Zeiten.

Ein Team von Physikern des Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms und anderer Universitäten hat einen speziellen Quantencomputer entwickelt, der als programmierbarer Quantensimulator bekannt ist und mit 256 Quantenbits oder „Qubits“ arbeiten kann.

Das System stellt einen wichtigen Schritt in Richtung des Baus großer Quantenmaschinen dar, die verwendet werden können, um eine Reihe komplexer Quantenprozesse zu beleuchten und letztendlich zu Durchbrüchen in der realen Welt in den Materialwissenschaften, Kommunikationstechnologien, Finanzen und vielen anderen Bereichen zu verhelfen Forschungshürden, die selbst die schnellsten Geräte übersteigen: der Supercomputer von heute. Qubits sind die Bausteine ​​von Quantencomputern und die Quelle ihrer enormen Rechenleistung.

„Es bringt dieses Feld in ein neues Feld, in das noch niemand eingestiegen ist“, sagte Mikhail Lukin, George Wasser Levert Physikprofessor, Co-Direktor der Harvard Quantum Initiative und einer der leitenden Autoren der Studie. Veröffentlicht am 7. Juli 2021 im Magazin Natur. „Wir betreten einen ganz neuen Teil der Quantenwelt.“

Dolev Bluvstein (von links), Mikhail Lukin und Sepehr Ebadi haben einen speziellen Quantencomputer entwickelt, den sogenannten programmierbaren Quantensimulator. Abadi richtet ein Gerät aus, mit dem sie programmierbare optische Pinzetten erstellen können. Bildnachweis: Rose Lincoln/Harvard Fotografin

Laut Sepehr Ebadi, Physikstudent an der Graduate School of Arts and Sciences und Hauptautor der Studie, ist es die Kombination aus beispielloser Größe und Programmierbarkeit, die ihn an die Spitze des Rennens um einen Quantencomputer bringt, der die mysteriösen Eigenschaften nutzt von Materie in extrem kleinen Maßstäben, um die Rechenleistung dramatisch zu steigern. Unter den richtigen Bedingungen bedeutet die Zunahme der Qubits, dass das System ein Vielfaches mehr Informationen speichern und verarbeiten kann als die traditionellen Bits, auf denen Standardcomputer laufen.

„Die Zahl der möglichen Quantenzustände mit nur 256 Qubits übersteigt die Zahl der Atome im Sonnensystem“, erklärt Ebadi die massive Größe des Systems.

Der Simulator hat es Forschern bereits ermöglicht, viele seltsame Quantenzustände von Materie zu beobachten, die zuvor experimentell nicht realisiert wurden, und eine Quanten-Phasenübergangsstudie so präzise durchzuführen, dass sie als Lehrbuchbeispiel dafür dient, wie Magnetismus auf Quantenebene funktioniert.

Indem sie sie in sequentielle Frames anordnen und Bilder einzelner Atome aufnehmen, können Forscher sogar Atomvideos genießen. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Lukin. Gruppe

Diese Experimente liefern aussagekräftige Einblicke in die Eigenschaften von Materialien, die der Quantenphysik innewohnen, und könnten Wissenschaftlern helfen, neue Materialien mit exotischen Eigenschaften zu entwickeln.

Das Projekt nutzt eine deutlich weiterentwickelte Version der 2017 entwickelten Plattformforscher, die eine Größe von 51 Qubits erreichen konnte. Dieses ältere System ermöglichte es Forschern, ultrakalte Rubidiumatome aufzunehmen und sie mit einer eindimensionalen Anordnung einzeln fokussierter Laser, die als optische Pinzetten bezeichnet werden, in einer bestimmten Reihenfolge anzuordnen.

Dieses neue System ermöglicht es, Atome mit einer optischen Pinzette zu zweidimensionalen Arrays zu gruppieren. Dadurch erhöht sich die erreichbare Systemgröße von 51 auf 256 Qubits. Mit einer Pinzette können Forscher Atome in makellosen Mustern anordnen und programmierbare Formen wie Quadrat-, Waben- oder Dreiecksgitter erstellen, um verschiedene Wechselwirkungen zwischen Qubits zu entwickeln.

Dolev Bluvstein betrachtet einen 420-mm-Laser, der es ihr ermöglicht, Rydbergs Atome zu kontrollieren und zu verschränken. Bildnachweis: Harvard University

„Das Rückgrat dieser neuen Plattform ist ein Gerät namens Spatial Light Transducer, das verwendet wird, um eine optische Wellenfront zu formen, um Hunderte von einzeln fokussierten optischen Pinzettenstrahlen zu erzeugen“, sagte Ebadi. „Diese Geräte sind im Grunde die gleichen wie die, die in einem Computermonitor verwendet werden, um Bilder auf einem Bildschirm anzuzeigen, aber wir haben sie als wichtigen Bestandteil unseres Quantensimulators angepasst.“

Die anfängliche Beladung der Atome in der optischen Pinzette ist zufällig, und die Forscher müssen die Atome bewegen, um sie in den Zielgeometrien anzuordnen. Die Forscher verwendeten einen zweiten Satz sich bewegender optischer Pinzetten, um die Atome in ihre gewünschten Positionen zu ziehen und so die anfängliche Zufälligkeit zu beseitigen. Der Laser gibt Forschern die vollständige Kontrolle über die Ortung von Atom-Qubits und ihre kohärente Quantenmanipulation.

Weitere Senior-Autoren der Studie sind die Harvard-Professoren Suber Sachdev und Markus Grenier, die zusammen mit MIT-Professor Vladan Voletich an dem Projekt gearbeitet haben, sowie Wissenschaftler von Stanford, UC Berkeley, der Universität Innsbruck in Österreich und Österreich. Akademie der Wissenschaften und QuEra Computing Inc. In Boston.

„Unsere Arbeit ist Teil eines wirklich intensiven, hochauflösenden globalen Wettlaufs um den Bau größerer und besserer Quantencomputer“, sagte Toot Wang, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Physik an der Harvard University und einer der Autoren des Papiers. „Allgemeine Anstrengung [beyond our own] Es hat die besten teilnehmenden akademischen Forschungseinrichtungen und bedeutende Investitionen des Privatsektors von Google, IBM, Amazon und vielen mehr.“

Die Forscher arbeiten derzeit daran, das System zu verbessern, indem sie die Lasersteuerung der Qubits verbessern und das System programmierbarer machen. Sie erforschen auch aktiv, wie das System neue Anwendungen nutzen kann, von der Erforschung der seltsamen Formen von Quantenmaterie bis hin zur Lösung anspruchsvoller realer Probleme, die auf natürliche Weise auf Qubits codiert werden können.

„Diese Arbeit eröffnet eine Vielzahl neuer wissenschaftlicher Richtungen“, sagte Ebadi. „Wir sind nicht nahe an den Grenzen dessen, was mit diesen Systemen machbar ist.“

Referenz: „Quantum Phases of Matter on a 256-Atom Programmable Quantum Simulator“ von 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 Grenier, Vladan Volich und Mikhail De Luken, 7. Juli 2021, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03582-4

Diese Arbeit wurde vom Ultracold Atoms Center, der National Science Foundation, einem Vannevar Bush College Fellowship, dem US Department of Energy, dem Office of Naval Research, dem MURI Army Research Office und dem DARPA ONISQ Program unterstützt.