Представлен рекордный квантовый симулятор с 53 кубитами

• Физики построили 53 взаимодействующих квантовых магнита, что делает возможной конфигурацию квадриллиона магнитов.
• Это квантовый компьютер ограниченного типа, использующий атомные кубиты для имитации сложной квантовой материи.
• Они измерили каждый кубит с эффективностью около 99 процентов.

Физики из Университета Мэриленда и Национального института стандартов и технологий использовали 53 взаимодействующих атомных кубита для имитации магнитной квантовой материи, установив новый рекорд. Это крупнейшее квантовое моделирование, когда-либо проводившееся с высокоэффективным однократным измерением отдельных кубитов.

Они использовали до 53 ионов иттербия, которые представляют собой измененные атомы, пойманные острыми, как бритва, электродами с золотым покрытием. Дополнительная система, разработанная учеными Массачусетского технологического института и Гарварда, использует 51 атом рубидия, удерживаемый лазерными лучами. Эту экспериментальную платформу можно расширить для решения сложных квантовых задач (например, выборки Изинга), которые выходят далеко за пределы возможностей самого быстрого современного суперкомпьютера.

Моделирование с меньшим количеством захваченных ионных кубитов уже было продемонстрировано, и теперь, с более высоким уровнем контроля над взаимодействием между спинами, эту систему можно модернизировать до универсального квантового компьютера.

Все ионные кубиты — это стабильные атомные часы, которые можно легко воспроизвести. Внешние лазерные лучи используются для эффективного связывания их вместе, что означает, что одно и то же устройство можно переконфигурировать, не нарушая внутренние настройки. Это сделано для адаптации любого приложения для квантовых вычислений, которое появится в будущем. Давайте узнаем, что же на самом деле они разработали и чем это выгодно.

Что такое квантовые симуляторы?

Квантовые системы трудно изучать в лаборатории и практически невозможно смоделировать с помощью суперкомпьютера, поэтому мы используем квантовый симулятор для изучения закономерностей и особенностей квантовых вычислений. Они специально разработаны для подробного описания определенных физических задач.

Методика моделирования квантовой системы с множеством частиц требует экспоненциального времени на обычном компьютере. Однако мы можем смоделировать это с помощью квантового компьютера, используя несколько квантовых битов, аналогичных количеству частиц в исходной системе. Это было распространено на широкий спектр категорий квантовых систем.

На сегодняшний день квантовые симуляторы реализованы на многочисленных платформах, таких как захваченные ионы, сверхпроводящие схемы, ультрахолодные квантовые газы и фотонные системы.

Использование квантового оборудования для решения квантовых задач

Современный суперкомпьютер не может обрабатывать более 20 взаимодействующих квантовых объектов. Это случай квантового магнетизма, когда взаимодействия могут привести к магнитному выравниванию на квантовом уровне.

Квантовые задачи обычно сложны, поскольку каждый магнит взаимодействует со всеми остальными магнитами в системе. Симулятор, разработанный физиками, имеет 53 взаимодействующих квантовых магнита, что делает возможной конфигурацию квадриллионов магнитов. Это число увеличивается вдвое при добавлении каждого отдельного магнита.

Это ограниченный тип квантового компьютера, использующий кубиты для имитации сложной квантовой материи. Кубиты могут быть изолированы и находиться в двух и более состояниях одновременно. Они существуют во многих формах, и наиболее предпочтительным выбором для построения кубитов являются атомы, которые являются универсальным строительным блоком во всем. За последние пару лет физики добились огромных успехов в управлении до 20 кубитами в рамках мелкомасштабного квантового моделирования.

Зачем использовать атомы?

Чтобы защитить квантовую природу устройства, кубиты должны оставаться изолированными от окружающей среды. Защита становится сложнее с добавлением каждого кубита, особенно если они не идентичны с самого начала, как в готовых схемах. Это одна из основных причин, по которой атомы являются предпочтительным выбором для кубитов. С помощью атомов квантовую технику можно было бы легко масштабировать по сравнению с готовыми схемами.

В отличие от современного компьютера, атомные кубиты хранятся внутри вакуумной камеры при комнатной температуре, давление которой очень похоже на давление в космическом пространстве. Изоляция кубитов позволяет физикам точно управлять атомными кубитами с помощью специальных лазеров, зеркал, оптических волокон, линз и электрических схем.
В настоящее время большинство технологических гигантов, университетов и даже стартапов сосредоточены на разработке прототипов квантовых машин, способных управлять большим количеством кубитов.

Симулятор 53-кубитов

Все атомные кубиты имеют одинаковый электрический заряд, поэтому они отталкивают друг друга. Когда они отталкивают друг друга дальше, специальное электрическое поле заставляет их снова собраться вместе. Эти две силы уравновешивают друг друга, заставляя ионы оставаться на одной линии. Ученые используют внутреннее отталкивание для создания межионных взаимодействий, которые необходимы для моделирования взаимодействия квантовой материи.

Лазерный импульс управляет всеми кубитами и переводит их в одно и то же состояние, чтобы начать квантовое моделирование. Затем другой набор лазерных лучей взаимодействует с атомными кубитами, заставляя их действовать как крошечные магниты. Теперь кубиты могут либо указывать в случайном направлении, что приводит к отсутствию намагничивания, либо выравнивать свои полюса с соседями, создавая ферромагнетик. Ученые могут изменять силу луча и анализировать, какая фаза преобладает в различных условиях лазера.

Ссылка:Университет Мэриленда | Природа | DOI:10.1038/nature24654

Для выполнения всей симуляции требуется всего несколько миллисекунд. Повторив этот процесс несколько раз и проанализировав конечные состояния в разных точках, ученые могут наблюдать за процессом, как он разворачивается от начала до конца. Это помогло бы понять, как магниты кубитов организуются в зависимости от разных фаз.

Художники рисуют лазер, манипулирующий атомными кубитами | Фото:Э. Эдвардс/JQI

Исследовательская группа применила взаимодействие на больших расстояниях с контролируемым диапазоном и силой и рассчитала каждый кубит с эффективностью около 99 процентов. Это означает, что множество телесных корреляций между кубитами можно вычислить за один раз, что позволяет непосредственно исследовать динамический фазовый переход и выявить трудноразрешимые особенности, которые зависят от высокой связности и дальних взаимодействий между кубитами.

Хотя симулятор подходит для исследования магнитной материи, для эффективной работы различных типов вычислений требуется более общая квантовая машина с программируемыми взаимодействиями.

Что дальше?

Эти типы квантовых симуляторов помогут ученым реализовать квантовые схемы и, в конечном итоге, квантово соединить несколько ионных цепочек вместе, чтобы разработать полноценный квантовый компьютер с широким спектром приложений.

Читайте:10+ самых интересных фактов о квантовых компьютерах

Исследовательская группа утверждает, что вскоре они смогут контролировать до 100 ионных кубитов и более. На этом этапе они потенциально смогут исследовать еще более сложные проблемы в области дизайна материалов и квантовой химии. D-Wave, с другой стороны, утверждает, что производит 2000 кубитов на чипе.

Напротив, Intel, Google и IBM используют сверхпроводящие электронные схемы для создания собственных квантовых компьютеров.