Система знаменует собой важный шаг к созданию крупномасштабных квантовых машин и сложных процессов. Крупномасштабные квантовые машины можно использовать, чтобы пролить свет на множество сложных процессов и, в конечном итоге, помочь совершить реальные прорывы в материаловедении, коммуникационных технологиях, финансах и многих других областях.
Команда талантливых физиков из Центра ультрахолодных атомов Гарварда-Массачусетского технологического института заявляет, что человечество «вступает в совершенно новую часть квантового мира». Это произойдет потому, что команда разработала уникальный тип квантового компьютера, известный как программируемый квантовый симулятор, способный работать с 256 квантовыми битами, или «кубитами», согласно отчету на Phys.org .
Эта система – самая крупная в своем роде – знаменует собой важный шаг на пути к созданию крупномасштабных квантовых машин, которые можно использовать, чтобы пролить свет на множество сложных процессов и, в конечном итоге, помочь совершить реальные прорывы в области материаловедения и коммуникации, технологиях, финансах и многих других областях.
В сообщении говорится, что кубиты – это фундаментальные строительные блоки, на которых работают квантовые компьютеры. «Это перемещает нас в новую область, где до сих пор никто никогда не был», – сказал Михаил Лукин, профессор физики Джорджа Фасмера Леверетта, содиректор Гарвардской квантовой инициативы и один из главных авторов исследования, опубликованного в журнале Nature, – «Мы входим в совершенно новую часть квантового мира».
По словам Сепера Эбади, физика Высшей школы искусств и наук и ведущего автора исследования, именно сочетание беспрецедентного размера системы и программируемости ставит ее на передний край гонки за квантовый компьютер, который использует загадочные свойства материи в чрезвычайно малых масштабах для значительного увеличения вычислительной мощности. В отчете также говорится, что при правильных обстоятельствах увеличение кубитов означает, что система может хранить и обрабатывать экспоненциально больше информации, чем классические биты, на которых работают стандартные компьютеры. «Количество квантовых состояний, которые возможны только с 256 кубитами, превышает количество атомов в солнечной системе», – сказал Эбади, объясняя огромные размеры системы.
Симулятор уже позволил исследователям наблюдать несколько экзотических квантовых состояний материи, которые никогда раньше не были реализованы экспериментально, и провести исследование квантовых фазовых переходов с такой точностью, что они служат примером из учебника того, как магнетизм работает на квантовом уровне. В сообщении говорится, что эти эксперименты дают глубокое понимание квантовой физики, лежащей в основе свойств материалов, и могут помочь ученым разрабатывать новые материалы с экзотическими свойствами.
В проекте используется значительно обновленная версия платформы, разработанная исследователями в 2017-м году, которая достигала размера в 51 кубит. Эта старая система позволила исследователям захватывать сверххолодные атомы рубидия и располагать их в определенном порядке с помощью одномерного массива индивидуально сфокусированных лазерных лучей, называемых оптическим пинцетом. Новая система позволяет собирать атомы в двумерные массивы оптическим пинцетом (OП), говорится в сообщении. Это увеличивает достижимый размер системы с 51 до 256 кубитов. Используя пинцет, исследователи могут расположить атомы в бездефектных узорах и создать программируемые формы, такие как квадратные, сотовые или треугольные решетки, для создания различных взаимодействий между кубитами.
«Рабочей лошадкой этой новой платформы является устройство, называемое пространственным модулятором света, которое используется для формирования оптического волнового фронта для создания сотен индивидуально сфокусированных оптических пучков пинцета», – сказал Эбади, – «Эти устройства по сути такие же, как те, что используются внутри компьютерного проектора для отображения изображений на экране, но мы адаптировали их, чтобы они стали критически важным компонентом нашего квантового симулятора».
В сообщении говорится, что первоначальная загрузка атомов в оптический пинцет является случайной, и исследователи должны перемещать атомы, чтобы расположить их в соответствии с их целевой геометрией. Исследователи используют и второй набор движущихся оптических пинцетов, чтобы перетащить атомы в желаемое место, устраняя первоначальную случайность. Лазеры дают исследователям полный контроль над расположением атомных кубитов и их когерентной квантовой манипуляцией. «Наша работа является частью действительно интенсивной и заметной глобальной гонки по созданию более крупных и лучших квантовых компьютеров», – сказал Тут Ван, научный сотрудник Гарварда по физике и один из авторов статьи, – «В общих усилиях, помимо наших собственных, участвуют ведущие академические исследовательские институты и крупные частные инвестиции от Google, IBM, Amazon и многих других».
Оптический пинцет превратился в важный инструмент для манипулирования отдельными биологическими клетками и выполнения сложных биофизических / биомеханических характеристик. Управление отдельными клетками с помощью ОП также имеет первостепенное значение в областях биомедицинских исследований, таких как экстракорпоральное оплодотворение, межклеточное взаимодействие, клеточная адгезия, эмбриология, микробиология, стволовые клетки, тканевая инженерия и регенеративная медицина, а также трансфекция единичных клеток.
Среди других ведущих авторов исследования профессора Гарварда Субир Сачдев и Маркус Грейнер, которые работали над проектом вместе с профессором Массачусетского технологического института Владаном Вулетичем, а также ученые из Стэнфорда, Калифорнийского университета в Беркли, Университета Инсбрука в Австрии, австрийского Академия наук и QuEra Computing Inc. в Бостоне.
DAVE MAKICHUK
Источники: Phys.org, The Harvard Gazette, Nature.