Harvard-MIT: „Intrăm într-o parte complet nouă a lumii cuantice”

O echipă de fizicieni de la ”Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms” și alte universități a dezvoltat un tip special de computer cuantic cunoscut sub numele de simulator cuantic programabil capabil să funcționeze cu 256 de biți cuantici sau „qubiți”. Sistemul marchează un pas major către construirea de mașini cuantice la scară largă care ar putea fi folosite pentru a arunca lumina asupra unei serii de procese cuantice complexe și, în cele din urmă, pentru a ajuta la realizarea progreselor din lumea reală în știința materialelor, tehnologiile de comunicare, finanțe și multe alte domenii, depășind obstacolele de cercetare care depășesc capacitățile chiar și ale celor mai rapide supercalculatoare din prezent.

Qubits sunt elementele fundamentale pe care rulează computerele cuantice și sursa puterii lor masive de procesare. „Acest lucru mută câmpul într-un domeniu nou în care nimeni nu a fost până acum”, a spus Mikhail Lukin, profesor de fizică George Vasmer Leverett, codirector al Inițiativei cuantice de la Harvard și unul dintre autorii principali ai studiului. publicat pe 7 iulie 2021, în revista Nature. „Intrăm într-o parte complet nouă a lumii cuantice.” Potrivit lui Sepehr Ebadi, student la fizică la Școala Absolventă de Arte și Științe și autorul principal al studiului, combinația dintre dimensiunea și programabilitatea fără precedent a sistemului o pune la avangarda cursei pentru un computer cuantic, care valorifică proprietățile misterioase ale materiei la scări extrem de mici pentru a avansa mult puterea de procesare. În circumstanțele potrivite, creșterea qubiturilor înseamnă că sistemul poate stoca și prelucra exponențial mai multe informații decât biții clasici pe care rulează computerele standard. „Numărul de stări cuantice care sunt posibile cu doar 256 de qubiți depășește numărul de atomi din sistemul solar”, a spus Ebadi, explicând dimensiunea vastă a sistemului. Deja, simulatorul le-a permis cercetătorilor să observe mai multe stări cuantice exotice ale materiei care nu fuseseră realizate până acum experimental și să efectueze un studiu de tranziție cu fază cuantică atât de precis încât să servească drept exemplu de manual al modului în care funcționează magnetismul la nivelul cuantic.

Aceste experimente oferă informații puternice asupra fizicii cuantice care stau la baza proprietăților materialelor și pot ajuta oamenii de știință să proiecteze materiale noi cu proprietăți exotice. Proiectul folosește o versiune modernizată semnificativ a unei platforme dezvoltate de cercetători în 2017, care era capabilă să atingă o dimensiune de 51 de qubiți. Acest sistem mai vechi le-a permis cercetătorilor să capteze atomi de rubidiu ultra-reci și să le aranjeze într-o ordine specifică folosind o matrice unidimensională de fascicule laser focalizate individual, numite pensete optice. Acest nou sistem permite asamblarea atomilor în matrice bidimensionale de pensete optice. Acest lucru mărește dimensiunea realizabilă a sistemului de la 51 la 256 de qubiți. Folosind penseta, cercetătorii pot aranja atomii în modele fără defecte și pot crea forme programabile precum rețele pătrate, fagure de miere sau triunghiulare pentru a proiecta diferite interacțiuni între qubituri. „Calul de lucru al acestei noi platforme este un dispozitiv numit modulator de lumină spațială, care este folosit pentru a modela o frontă de undă optică pentru a produce sute de fascicule optice de pensete focalizate individual”, a spus Ebadi. „Aceste dispozitive sunt în esență aceleași cu cele utilizate în interiorul unui proiector de computer pentru a afișa imagini pe un ecran, dar le-am adaptat pentru a fi o componentă critică a simulatorului nostru cuantic.” Încărcarea inițială a atomilor în pensete optice este aleatorie, iar cercetătorii trebuie să deplaseze atomii în jurul lor pentru a le aranja în geometriile lor țintă. Cercetătorii folosesc un al doilea set de pensete optice în mișcare pentru a trage atomii în locațiile lor dorite, eliminând aleatoritatea inițială. Laserii oferă cercetătorilor un control complet asupra poziționării qubiturilor atomice și asupra manipulării lor cuantice coerente.

Alți autori principali ai studiului includ profesorii de la Harvard Subir Sachdev și Markus Greiner, care au lucrat la proiect împreună cu profesorul Institutului de Tehnologie din Massachusetts Vladan Vuletić și oamenii de știință din Stanford, Universitatea din California Berkeley, Universitatea din Innsbruck din Austria, Austria Academia de Științe și QuEra Computing Inc. din Boston. „Munca noastră face parte dintr-o cursă globală foarte intensă, cu vizibilitate ridicată, pentru a construi computere cuantice mai mari și mai bune”, a spus Tout Wang, asociat de cercetare în fizică la Harvard și unul dintre autorii lucrării. „Efortul general [dincolo de al nostru] implică instituții de cercetare academice de top și investiții majore din sectorul privat de la Google, IBM, Amazon și mulți alții.” Cercetătorii lucrează în prezent la îmbunătățirea sistemului prin îmbunătățirea controlului cu laser asupra qubitelor și îmbunătățirea programării sistemului. De asemenea, explorează în mod activ modul în care sistemul poate fi utilizat sau aplicații noi, variind de la explorarea formelor exotice de materie cuantică la rezolvarea problemelor provocatoare din lumea reală care pot fi codate în mod natural pe qubits. „Această lucrare permite un număr mare de noi direcții științifice”, a spus Ebadi.

Sursa: scitechdaily.com