양자 컴퓨팅의 돌파구 Harvard University-MIT- ‘양자 세계의 완전히 새로운 부분에 진입하고 있습니다’

이 팀은 지금까지 가장 큰 256 큐 비트 시뮬레이터를 개발하고 있습니다.

Harvard-MIT Ultracold Atoms 센터 및 기타 대학의 물리학 자 팀은 256 양자 비트 또는 “큐 비트”로 작동 할 수있는 프로그래밍 가능한 양자 시뮬레이터로 알려진 특수 유형의 양자 컴퓨터를 개발했습니다.

이 시스템은 복잡한 양자 프로세스의 범위를 밝히고 궁극적으로 재료 과학, 통신 기술, 금융 및 기타 여러 분야에서 실제 혁신을 달성하는 데 사용할 수있는 대규모 양자 기계를 구축하기위한 주요 단계를 나타냅니다. 가장 빠른 장치의 기능을 능가하는 연구 장애물, 오늘날의 슈퍼 컴퓨터. Qubit은 양자 컴퓨터의 구성 요소이자 엄청난 처리 능력의 원천입니다.

Harvard Quantum Initiative의 공동 책임자이자이 연구의 선임 저자 중 한 명인 George Wasser Levert 물리학 교수 인 Mikhail Lukin은“이 분야를 아직 아무도 가지지 않은 새로운 분야로 이동시킵니다. 2021 년 7 월 7 일 잡지에 게재 자연. “우리는 양자 세계의 완전히 새로운 부분에 진입하고 있습니다.”

Dolev Bluvstein (왼쪽부터), Mikhail Lukin 및 Sepehr Ebadi는 프로그래밍 가능한 양자 시뮬레이터로 알려진 특수한 유형의 양자 컴퓨터를 개발했습니다. Abadi는 프로그래밍 가능한 광학 핀셋을 만들 수있는 장치를 정렬합니다. 크레딧 : Rose Lincoln / Harvard Photographer

예술과 과학 대학원의 물리학 학생이자이 연구의 주 저자 인 Sepehr Ebadi에 따르면, 전례없는 크기와 프로그래밍 가능성의 조합이 그를 신비한 속성을 활용하는 양자 컴퓨터 경쟁의 최전선에 서게합니다. 매우 작은 크기로 물질의 처리 능력을 크게 향상시킵니다. 적절한 조건에서 큐 비트의 증가는 시스템이 표준 컴퓨터가 실행되는 기존 비트보다 많은 정보를 저장하고 처리 할 수 ​​있음을 의미합니다.

“256 큐 비트만으로 가능한 양자 상태의 수는 태양계의 원자 수를 초과한다”고 Ebadi는 시스템의 거대한 크기를 설명했다.

이미 시뮬레이터를 통해 연구자들은 이전에 실험적으로 실현되지 않았던 많은 이상한 양자 상태를 관찰 할 수 있고, 양자 수준에서 자기가 어떻게 작동하는지에 대한 교과서의 예가 될 정도로 정확한 양자 위상 전이 연구를 수행 할 수 있습니다.

그것들을 순차적 인 프레임으로 배열하고 단일 원자의 사진을 찍음으로써 연구원들은 원자 비디오를 재미있게 만들 수도 있습니다. 출처 : Lukin. Group

이러한 실험은 양자 물리학에 내재 된 재료의 특성에 대한 강력한 통찰력을 제공하며 과학자들이 이국적인 특성을 가진 새로운 재료를 설계하는 방법을 보여줄 수 있습니다.

이 프로젝트는 2017 년에 개발 된 플랫폼 연구원의 상당히 업그레이드 된 버전을 사용하며, 이는 51 큐 비트 크기에 도달 할 수 있습니다. 이 오래된 시스템을 통해 연구자들은 초저온 루비듐 원자를 선택하고 광학 핀셋이라고하는 1 차원 배열의 개별 초점 레이저를 사용하여 특정 순서로 배열 할 수있었습니다.

이 새로운 시스템을 사용하면 광학 핀셋에서 원자를 2 차원 배열로 그룹화 할 수 있습니다. 이것은 달성 가능한 시스템 크기를 51에서 256 큐 비트로 증가시킵니다. 핀셋을 사용하여 연구원은 원자를 완벽한 패턴으로 배열하고 정사각형, 벌집 또는 삼각형 격자와 같은 프로그래밍 가능한 모양을 만들어 큐 비트 간의 다양한 상호 작용을 엔지니어링 할 수 있습니다.

Dolev Bluvstein은 Rydberg의 원자를 제어하고 얽히게하는 420mm 레이저를보고 있습니다. 크레딧 : 하버드 대학교

Ebadi는 “이 새로운 플랫폼의 중추는 공간 광 변환기라고하는 장치로, 광학 파면을 형성하여 수백 개의 개별적으로 초점을 맞춘 광학 핀셋 빔을 생성하는 데 사용됩니다.”라고 말했습니다. “이러한 장치는 기본적으로 화면에 이미지를 표시하기 위해 컴퓨터 모니터 내부에서 사용되는 것과 동일하지만, 우리는 양자 시뮬레이터의 중요한 구성 요소로 채택했습니다.”

광학 핀셋에서 원자의 초기 로딩은 무작위이며 연구자들은 원자를 대상 기하학에 배열하기 위해 이리저리 움직여야합니다. 연구진은 두 번째 이동 광학 핀셋 세트를 사용하여 원자를 원하는 위치로 끌어 당겨 초기 무작위성을 제거했습니다. 레이저는 연구자들에게 원자 큐 비트의 위치와 일관된 양자 조작을 완벽하게 제어 할 수 있도록합니다.

이 연구의 다른 선임 저자로는 MIT 교수 인 Vladan Voletich와 함께 프로젝트에 참여한 Harvard 교수 Suber Sachdev 및 Markus Grenier와 Stanford, UC Berkeley, 오스트리아 인스 브루 크 대학교 및 오스트리아의 과학자들이 있습니다. 과학 아카데미 및 QuEra Computing Inc. 보스턴에서.

“우리의 작업은 더 크고 더 나은 양자 컴퓨터를 만들기위한 진정으로 강렬한 고화질 글로벌 경주의 일부입니다.”라고 하버드 대학의 물리학 연구원이자이 논문의 저자 중 한 명인 Toot Wang은 말했습니다. “일반적인 노력 [beyond our own] 최고의 참여 학술 연구 기관과 Google, IBM, Amazon 등의 많은 민간 부문 투자를 보유하고 있습니다. “

연구원들은 현재 큐 비트의 레이저 제어를 개선하고 시스템을보다 프로그래밍 가능하게 만들어 시스템을 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 그들은 또한 양자 물질의 이상한 모양을 탐구하는 것에서부터 큐 비트에 자연스럽게 인코딩 될 수있는 도전적인 현실 세계 문제를 해결하는 것까지 시스템이 새로운 애플리케이션을 어떻게 사용할 수 있는지 적극적으로 탐구하고 있습니다.

“이 작업은 많은 새로운 과학적 방향을 제시합니다.”라고 Ebadi는 말했습니다. “우리는 이러한 시스템으로 할 수있는 일의 한계에 근접하지 않았습니다.”

참조 : Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rhin Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho,“256 원자 프로그래밍 가능 양자 시뮬레이터에서 물질의 양자 위상” Sunon Choi, Subir Sachdev, Markus Grenier, Vladan Volich 및 Mikhail De Luken, 2021 년 7 월 7 일, 자연.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03582-4

이 작업은 Ultracold Atoms Center, National Science Foundation, Vannevar Bush College Fellowship, 미국 에너지 부, 해군 연구실, MURI 육군 연구실 및 DARPA ONISQ 프로그램의 지원을 받았습니다.