Результаты команды представляют собой один из крупнейших массивов квантовых битов, известных как кубиты, которые ученые смогли контролировать индивидуально. В том же номере журнала Nature команда из Университета Мэриленда сообщает о системе аналогичного размера, использующей захваченные ионы в качестве квантовых битов.В рамках подхода Массачусетского технологического института и Гарварда исследователи сгенерировали цепочку из 51 атома и запрограммировали их на квантовый фазовый переход, при котором каждый второй атом в цепочке был возбужден. Картина напоминает состояние магнетизма, известное как антиферромагнетик, в котором спин всех остальных атомов или молекул выровнен.
Команда описывает массив из 51 атома как не совсем обычный квантовый компьютер, который теоретически должен быть в состоянии решить любую поставленную перед ним вычислительную задачу, а как «квантовый симулятор» — систему квантовых битов, которая может быть спроектирована для моделирования решить конкретную задачу или решить конкретное уравнение, намного быстрее, чем самый быстрый классический компьютер.Например, команда может изменить конфигурацию атомов для моделирования и изучения новых состояний материи и квантовых явлений, таких как запутанность. Новый квантовый симулятор также может стать основой для решения задач оптимизации, таких как задача коммивояжера, в которой продавец-теоретик должен найти кратчайший путь, по которому он может посетить заданный список городов.
Небольшие вариации этой проблемы проявляются во многих других областях исследований, таких как секвенирование ДНК, перемещение автоматического паяльного жала ко многим точкам пайки или маршрутизация пакетов данных через узлы обработки.«Эта проблема экспоненциально сложна для классического компьютера, то есть он может решить ее для определенного количества городов, но если бы я хотел добавить больше городов, это стало бы намного сложнее, очень быстро», — говорит соавтор исследования Владан Вулети? , профессор физики Массачусетского технологического института Лестера Вулфа. «Для такого рода задач вам не нужен квантовый компьютер. Симулятор достаточно хорош, чтобы смоделировать правильную систему.
Поэтому мы думаем, что эти алгоритмы оптимизации — самые простые задачи для решения».Работа выполнена в сотрудничестве с профессорами Гарварда Михаилом Лукиным и Маркусом Грайнером; Приглашенный ученый из Массачусетского технологического института Сильвен Шварц также является соавтором.
Отдельные, но взаимодействующиеКвантовые компьютеры — это в значительной степени теоретические устройства, которые потенциально могут выполнять чрезвычайно сложные вычисления за долю времени, которое потребовалось бы для самого мощного классического компьютера в мире.
Они будут делать это с помощью кубитов — блоков обработки данных, которые, в отличие от двоичных разрядов классических компьютеров, могут одновременно находиться в положениях 0 и 1. Это квантовое свойство суперпозиции позволяет одному кубиту одновременно выполнять два отдельных потока вычислений. . Добавление дополнительных кубитов в систему может экспоненциально ускорить вычисления компьютера.Но серьезные препятствия помешали ученым реализовать полностью работоспособный квантовый компьютер. Одна из таких задач: как заставить кубиты взаимодействовать друг с другом, не взаимодействуя с окружающей средой.
«Мы знаем, что вещи очень легко превращаются в классические, когда они взаимодействуют с окружающей средой, поэтому вам нужно [кубиты] быть супер изолированными», — говорит Вулети, член Исследовательской лаборатории электроники и Гарвардского центра ультрахолодных атомов MIT. . «С другой стороны, им нужно сильно взаимодействовать с другим кубитом».Некоторые группы создают квантовые системы с ионами или заряженными атомами в виде кубитов. Они улавливают или изолируют ионы от остальной окружающей среды с помощью электрических полей; оказавшись в ловушке, ионы сильно взаимодействуют друг с другом.
Но многие из этих взаимодействий являются сильно отталкивающими, как магниты схожей ориентации, и поэтому их трудно контролировать, особенно в системах с большим количеством ионов.Другие исследователи экспериментируют со сверхпроводящими кубитами — искусственными атомами, созданными для квантового поведения.
Но Вулети? говорит, что такие изготовленные кубиты имеют свои недостатки по сравнению с кубитами, основанными на реальных атомах.«По определению, каждый атом такой же, как и любой другой атом того же вида», — сказал Вулети? говорит. «Но когда вы строите их вручную, на вас влияет изготовление, например, немного разные частоты переходов, связи и так далее».Установка ловушки
Вулети? и его коллеги предложили третий подход к построению квантовой системы, использующий нейтральные атомы — атомы, не обладающие электрическим зарядом — в качестве кубитов. В отличие от ионов, нейтральные атомы не отталкивают друг друга и обладают идентичными свойствами, в отличие от изготовленных сверхпроводящих кубитов.В предыдущей работе группа изобрела способ захвата отдельных атомов, используя лазерный луч, чтобы сначала охладить облако атомов рубидия до температуры, близкой к абсолютному нулю, замедляя их движение до почти полной остановки. Затем они используют второй лазер, разделенный на более чем 100 лучей, для захвата и удержания отдельных атомов на месте.
Они могут получить изображение облака, чтобы увидеть, какие лазерные лучи захватили атом, и могут выключить определенные лучи, чтобы отбросить эти ловушки без атома. Затем они переставляют все ловушки с атомами, чтобы создать упорядоченный бездефектный массив кубитов.
С помощью этой техники исследователям удалось построить квантовую цепочку из 51 атома, все они находятся в ловушке в своем основном состоянии или на самом низком энергетическом уровне.В своей новой статье команда сообщает о том, что сделала еще один шаг, чтобы контролировать взаимодействие этих 51 захваченного атома, что является необходимым шагом на пути к управлению отдельными кубитами. Для этого они временно отключили лазерные частоты, которые первоначально захватывали атомы, что позволило квантовой системе естественным образом развиваться.Затем они подвергли развивающуюся квантовую систему третьему лазерному лучу, чтобы попытаться возбудить атомы в так называемое ридберговское состояние — состояние, в котором один из электронов атома возбужден до очень высокой энергии по сравнению с остальными электронами. электроны атома.
Наконец, они снова включили улавливающие атомы лазерные лучи, чтобы обнаружить конечные состояния отдельных атомов.«Если все атомы начинаются в основном состоянии, оказывается, что когда мы пытаемся перевести все атомы в это возбужденное состояние, возникает состояние, в котором возбужден каждый второй атом», — сказал Вулети? говорит. «Итак, атомы совершают квантовый фазовый переход во что-то похожее на антиферромагнетик».
Переход происходит только в каждом другом атоме из-за того, что атомы в ридберговских состояниях очень сильно взаимодействуют друг с другом, и для возбуждения двух соседних атомов в ридберговские состояния потребуется гораздо больше энергии, чем может обеспечить лазер.Вулети? говорит, что исследователи могут изменять взаимодействия между атомами, изменяя расположение захваченных атомов, а также частоту или цвет возбуждающего атом лазерного луча. Более того, система легко расширяется.«Мы думаем, что сможем увеличить это число до нескольких сотен», — Вулети? говорит. «Если вы хотите использовать эту систему в качестве квантового компьютера, она становится интересной, порядка 100 атомов, в зависимости от того, какую систему вы пытаетесь смоделировать».
На данный момент исследователи планируют протестировать систему из 51 атома в качестве квантового симулятора, в частности, на задачах оптимизации планирования пути, которые могут быть решены с использованием адиабатических квантовых вычислений — формы квантовых вычислений, впервые предложенной Эдвардом Фархи, Сесилом и Ида Грин, профессор физики Массачусетского технологического института.Адиабатические квантовые вычисления предполагают, что основное состояние квантовой системы описывает решение интересующей проблемы. Когда эта система может быть усовершенствована для создания самой проблемы, конечное состояние системы может подтвердить решение.
«Вы можете начать с подготовки системы в простом и известном состоянии с наименьшей энергией, например, все атомы в их основных состояниях, а затем медленно деформировать ее, чтобы представить проблему, которую вы хотите решить, например, задачу коммивояжера», — сказал Вулети. ? говорит. «Это медленное изменение некоторых параметров в системе, что мы и делаем в этом эксперименте. Таким образом, наша система ориентирована на решение этих задач адиабатических квантовых вычислений».
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом, Управлением исследований армии и Управлением научных исследований ВВС США.