Рекордный 53-кубитный квантовый симулятор представлен учеными

• Физики построили 53 взаимодействующих квантовых магнита, позволяющих квадриллон магнитных конфигураций.
• Это ограниченный тип квантового компьютера, использующий атомные кубиты для моделирования сложной квантовой материи.
• Каждый кубит измеряется с эффективностью около 99 %.

Физики Мерилендского университета и Национального института стандартов и технологий использовали 53 взаимодействующих атомных кубита для моделирования магнитной квантовой материи, установив новый рекорд. Это крупнейшая квантовая симуляция с высокоэффективным однократным измерением отдельных кубитов.

Использовали до 53 ионов иттербия — заряженных атомов, удерживаемых острыми золотообложенными электродами. Дополнительная система от MIT и Гарварда использует 51 атом рубидия, заключенных лазерными пучками. Эта экспериментальная платформа может быть расширена для решения сложных квантовых задач (как выборка Изинга), далеко превышающих возможности самых быстрых современных суперкомпьютеров.

Симуляции с меньшим числом ионных кубитов уже демонстрировались, а теперь с более высоким уровнем контроля над взаимодействием спинов система может быть обновлена до универсального квантового компьютера.

Все ионные кубиты — стабильные атомные часы, легко реплицируемые. Внешние лазерные пучки эффективно связывают их вместе, значит, то же устройство можно переконфигурировать без нарушения внутренних настроек. Это делается для адаптации к любому квантовому вычислительному приложению будущего. Разберем, что именно они разработали и чем это полезно.

Что такое квантовые симуляторы?

Квантовые системы трудно изучать в лаборатории и почти невозможно моделировать на суперкомпьютере, поэтому используем квантовые симуляторы для изучения паттернов и особенностей квантовых вычислений. Они специально разработаны для детализации определенных физических задач.

Техника симуляции квантовой системы с множеством частиц требует экспоненциального времени на обычном компьютере. Однако мы можем смоделировать её на квантовом компьютере, используя множество кубитов, аналогичных числу частиц в исходной системе. Это расширено на широкий спектр категорий квантовых систем.

На сегодня квантовые симуляторы реализованы на множестве платформ: захваченные ионы, сверхпроводящие цепи, ультрахолодные квантовые газы и фотонные системы.

Использование квантового железа для квантовых задач

Современный суперкомпьютер не может обработать более 20 взаимодействующих квантовых объектов. Это случай квантового магнетизма, где взаимодействия могут привести к магнитному выравниванию на квантовом масштабе.

Квантовые задачи обычно сложны, потому что каждый магнит взаимодействует со всеми остальными в системе. Разработанный физиками симулятор имеет 53 взаимодействующих квантовых магнита, позволяя квадриллон магнитных конфигураций. Это число удваивается с добавлением каждого магнита.

Это ограниченный тип квантового компьютера, использующий кубиты для моделирования сложной квантовой материи. Кубиты могут быть изолированы и находиться в двух или более состояниях одновременно. Они бывают в многочисленных формах, и предпочтительным выбором для построения кубитов являются атомы — универсальный строительный блок всей материи. За последние пару лет физики достигли огромного успеха в контроле до 20 кубитов в малых квантовых симуляциях.

Почему используются атомы?

Чтобы защитить квантовую природу устройства, кубиты должны оставаться изолированными от среды. Защита усложняется с добавлением каждого кубита, особенно если они не идентичны изначально, как в фабричных схемах. Это одна из главных причин, почему атомы — предпочтительный выбор для кубитов. С атомами квантовая машина может масштабироваться легче, чем с фабричными схемами.

В отличие от современных компьютеров, атомные кубиты хранятся в вакуумной камере при комнатной температуре, давление в которой очень похоже на космическое. Изоляция кубитов позволяет физикам точно управлять ими с помощью специальных лазеров, зеркал, оптоволокон, линз и электрических схем. Сейчас большинство технологических гигантов, университетов и даже стартапов фокусируются на разработке прототипов квантовых машин, контролирующих большое число кубитов.

53-кубитный симулятор

Все атомные кубиты имеют одинаковый электрический заряд, поэтому они отталкиваются. Когда они отодвигаются дальше, настраиваемое электрическое поле заталкивает их обратно. Эти две силы уравновешивают друг друга, заставляя ионы оставаться в одной линии. Ученые используют внутреннее отталкивание для генерации ион-интеракций, необходимых для симуляции взаимодействующей квантовой материи.

Лазерный импульс управляет всеми кубитами и переводит их в одно начальное состояние для квантовой симуляции. Другой набор лазерных пучков взаимодействует с атомными кубитами, заставляя их вести себя как крошечные магниты. Теперь кубиты могут указывать в случайном направлении (нет намагниченности) или выравнивать полюса с соседями, создавая ферромагнит. Ученые могут менять мощность пучков и анализировать, какая фаза побеждает при различных лазерных условиях.

Источник: Мерилендский университет | Nature | DOI:10.1038/nature24654

Вся симуляция занимает всего несколько миллисекунд. Повторяя процесс многократно и анализируя финальные состояния в разных точках, ученые могут наблюдать процесс от начала до конца. Это помогает понять, как кубит-магниты организуются согласно разным фазам.

Художественное изображение лазеров, манипулирующих атомными кубитами | Credit: E. Edwards/JQI

Исследовательская команда применила дальнодействующее взаимодействие с управляемым диапазоном и силой, и измерила каждый кубит с эффективностью около 99 %, что означает, что многочастичные корреляции между кубитами могут быть вычислены в один заход, позволяя зондировать динамический фазовый переход напрямую и 드러чать необработные признаки, зависящие от высокой связности и дальнодействующих взаимодействий между кубитами.

Хотя симулятор подходит для зондирования магнитной материи, разные типы вычислений требуют более универсальной квантовой машины с программируемыми взаимодействиями для эффективной работы.

Что дальше?

Такой тип квантовых симуляторов поможет ученым реализовать квантовые цепи и в конечном итоге соединить несколько ионных цепей для разработки полноценного квантового компьютера с широким спектром приложений.

Читайте также: 10+ самых интересных фактов о квантовых компьютерах

Исследовательская команда заявляет, что скоро смогут контролировать до 100 ионных кубитов и более. Тогда можно будет исследовать еще более сложные проблемы в дизайне материалов и квантовой химии. D-Wave утверждает, что производит 2000 кубитов на чипе.

В отличие от этого, Intel, Google и IBM используют сверхпроводящие электронные схемы для построения своих квантовых компьютеров.