"Lompat kuantum" untuk komputer kuantum

Pakar fizikal membina simulator kuantum pertama dengan lebih daripada 50 qubit

Secara berturut-turut: fizik telah buat kali pertama dibina simulator kuantum dengan lebih daripada 50 qubit. Di sini zarah dimanipulasi oleh sinar laser. © E. Edwards / JQI
membaca dengan kuat

Rekod fizikal kuantum: Dua pasukan penyelidikan telah buat kali pertama yang dibina simulator kuantum dengan lebih daripada 50 bit kuantum - dan dengan itu merupakan prekursor terbesar komputer kuantum setakat ini. Dalam salah satu daripada sistem ini 51 atom rubidium ultracold berfungsi sebagai qubit, dalam ion ytterbium yang lain. Namun, simulator kuantum ini hanya dapat menyelesaikan tugas-tugas tertentu. Tetapi ahli fizik melihat di dalamnya satu langkah penting ke arah komputer kuantum bersaiz serupa, seperti yang dilaporkan dalam jurnal "Alam".

Komputer kuantum dianggap komputer masa depan. Terima kasih kepada fenomena fizikal kuantum seperti superimposisi dan kelemahan, zarah pengkomputeran mereka, qubit, boleh melakukan tugas-tugas yang lebih kompleks selari, mencapai prestasi yang lebih tinggi daripada komputer konvensional. Baru-baru ini, dua komputer kuantum yang berbeza telah mula diukur dalam pertarungan. Salah satunya sudah dapat digunakan untuk aplikasi komersil.

Ini semua tentang qubit

Walau bagaimanapun: Setakat ini, komputer kuantum ini terdiri daripada hanya beberapa qubit, biasanya dalam bentuk atom tunggal atau ion. Walaupun ahli fizik telah dapat menggabungkan kumpulan zarah yang lebih besar, mereka tidak dapat dibaca secara individu dan oleh itu bukan qubit sebenar.

Masalahnya ialah bahawa qubit bertindak sangat sensitif dan kehilangan alam kuantum walaupun pada sedikit gangguan. Tetapi untuk dapat bergantung kepada mereka, mereka mesti dapat berinteraksi antara satu sama lain - dan tanpa runtuh satu sama lain. "Kesedaran sistem kuantum multi-badan yang terkawal dan koheren sepenuhnya adalah suatu cabaran yang tidak dapat diselesaikan, " jelas Mikhail Lukin dari Harvard University dan rekan-rekannya.

Banjir zarah dalam simulator kuantum

Langkah utama ke arah sistem sedemikian kini telah dibuat oleh dua kumpulan penyelidikan: pasukan Lukin dan penyelidik yang diketuai oleh Christopher Monroe dari University of Maryland. Kedua-dua kumpulan pertama membina simulator kuantum dengan lebih daripada 50 qubit yang dikawal secara individu. Dalam pendekatan pertama, 53 atom ytterbium terionis membentuk qubit, dalam kes kedua, zarah pengiraan terdiri daripada 51 atom rubidium neutral. paparan

Walaupun komputer kuantum bebas diprogramkan dan oleh itu serba boleh digunakan, simulator kuantum membentuk peringkat permulaan: mereka khusus disesuaikan dengan tugas tertentu. Reka bentuk mereka menentukan sama ada mereka menghasilkan semula, sebagai contoh, perilaku zarah dalam vakum atau sifat magnetik bahan-bahan tertentu.

Hasil pengiraan dari atom: Setiap baris titik cahaya dan gelap merupakan gambaran keadaan qubit semasa simulasi kuantum. J. Zhang et al / E. Edwards

Ion Ytterbium dengan spin tegang

Untuk simulator 53-qubit, Monroe dan pasukannya menggunakan awan ion ytterbium dalam ruang vakum. Kerana semua atom ini mempunyai caj yang sama, mereka menolak satu sama lain. Bidang elektrik, bagaimanapun, mengekalkan atom-atom yang terperangkap dan dibarisi dalam garis zarah yang sempurna. Susunan ini membolehkan ion ytterbium berinteraksi antara satu sama lain seperti qubit.

Kemudian simulasi kuantum sebenar bermula: Para ahli fizik membombardir ion dengan sinar laser dan dengan demikian mengganggu keadaan putaran mereka yang sebelumnya diperintahkan. Oleh itu, qubit dipaksa untuk "memilih" keadaan kuantum mereka lagi, dan cara ini berlaku boleh digunakan untuk menyelesaikan tugas-tugas tertentu.

"Sistem kami sehingga 53 qubit ion yang terperangkap adalah, pengetahuan kami, simulasi kuantum terbesar yang pernah dilakukan dengan pengukuran qubit tunggal yang cekap, " kata Monroe dan rakan-rakannya.

Atom Rubidium dalam kisi optik

Lukin dan pasukannya memilih pendekatan yang berbeza: mereka membina simulator kuantum mereka daripada atom rubidium neutral, tanpa dikenakan. Mereka mula menyejukkan awan atom-atom ini ke atas sifar mutlak dalam vakum, membawa mereka ke dalam keadaan tenaga terendah mereka. Kemudian, menggunakan balok laser, mereka membuat kisi optik yang memegang setiap atom dalam "sangkar" mereka sendiri.

Untuk "pengiraan" dengan atom-atom ini, para penyelidik tidak menggunakan putaran, tetapi keadaan tenaga elektron: Rasuk laser tambahan memberikan tenaga untuk meletakkan beberapa atom dalam keadaan teruja yang dipanggil negeri Rydberg. Kerana kisi optik telah seketika dimatikan dalam fasa pengujaan ini, qubit boleh berinteraksi antara satu sama lain. Di sini juga, keadaan terakhir atom individu, bergantung kepada tugas, menghasilkan hasil simulasi kuantum.

"Hanya permulaan"

Kedua-dua simulator kuantum hanya dapat menyelesaikan tugas yang sangat spesifik. Walau bagaimanapun, prestasi mereka sangat besar: "Dengan 53 bit interaksi dalam eksperimen ini, terdapat lebih daripada satu segi empat kali ganda konfigurasi magnet yang mungkin, " jelas rakan sekerja Monrose Zhexuan Gong. Komputer konvensional akan dibebani dengan simulasi seperti yang luas atau akan mengambil masa yang sangat lama.

Kedua-dua pasukan yakin bahawa mereka boleh mengembangkan sistem kuantum mereka pada masa depan untuk 100 zarah atau lebih. "Sekiranya anda ingin menggunakan sistem sedemikian sebagai komputer kuantum, maka ia akan menarik pada susunan kira-kira seratus atom, " kata Vladan Vuletić dari Institut Teknologi Massachusetts (MIT).

"Pada ketika ini, sebagai contoh, ia dapat menyelesaikan masalah yang sukar dalam kimia kuantum atau penyelidikan bahan, " tambah Jiehang Zhang dari pasukan Monroe. (Alam, 2017; doi: 10.1038 / nature24654, doi: 10.1038 / nature24622)

(Institut Teknologi Massachusetts (MIT), University of Maryland, 30 November, 2017 - NPO)