Strängar av atom qubits används för att sondera kvantmagnetism. Varje rad med starkt ljus och mörka fläckar är en fluorescensbild av atomsträngen. Fysiker använder lasrar för att mäta qubits under kvantsimuleringen. Resultatet, antingen mörkt eller ljust, tillåter dem att extrahera information om systemets magnetiska tillstånd. Kredit:Data:J. Zhang et al .; grafisk:E. Edwards
Två oberoende team av forskare, inklusive en från University of Maryland (UMD) och National Institute of Standards and Technology (NIST), har använt mer än 50 interagerande atom qubits för att efterlikna magnetisk kvantmaterial, blåser förbi komplexiteten i tidigare demonstrationer. Resultaten visas i veckans nummer av Natur .
Som grund för sin kvantsimulering, UMD-NIST-teamet använder upp till 53 individuella ytterbiumjoner-laddade atomer fångade på plats av guldbelagda och knivskarpa elektroder. En kompletterande design av Harvard- och MIT -forskare använder 51 oladdade rubidiumatomer begränsade av en rad laserstrålar. Med så många qubits är dessa kvantsimulatorer på väg att utforska fysik som inte kan nås av även de snabbaste moderna superdatorer. Och att lägga till ännu fler qubits är bara att slänga in fler atomer i blandningen.
"Varje jonkvbit är en stabil atomur som kan replikeras perfekt, "säger UMD -teamets ledare Christopher Monroe, som också är medgrundare och chefsvetare vid uppstarten IonQ Inc. "De kopplas effektivt ihop med externa laserstrålar. Detta innebär att samma enhet kan omprogrammeras och omkonfigureras, från utsidan, att anpassa sig till alla typer av kvantsimulering eller framtida kvantdatorapplikationer som dyker upp. "Monroe har varit en av de tidiga pionjärerna inom kvantberäkning och hans forskargrupps kvantsimulator är en del av en plan för en kvantdator för allmänna ändamål.
Kvantmaskinvara för ett kvantproblem
Medan det är modernt, transistordrivna datorer är bra för att krossa sig igenom många problem, de kan skrika till slut när de hanterar mer än 20 interagerande kvantobjekt. Det är verkligen fallet för kvantmagnetism, där interaktionerna kan leda till magnetisk inriktning eller till ett virrvarr av konkurrerande intressen i kvantskalan.
"Det som gör det här problemet svårt är att varje magnet interagerar med alla andra magneter, "säger UMD -forskaren Zhexuan Gong, ledande teoretiker och medförfattare i studien. "Med de 53 samverkande kvantmagneterna i detta experiment, det finns över en kvadrillion möjliga magnetkonfigurationer, och detta nummer fördubblas för varje ytterligare magnet. Att simulera detta storskaliga problem på en konventionell dator är extremt utmanande, om ens möjligt."
När dessa beräkningar träffar en vägg, en kvantsimulator kan hjälpa forskare att trycka på kuvertet på svåra problem. Detta är en begränsad typ av kvantdator som använder qubits för att efterlikna komplex kvantämne. Qubits är isolerade och välkontrollerade kvantsystem som kan vara i en kombination av två eller flera tillstånd samtidigt. Qubits finns i olika former, och atomer - de mångsidiga byggstenarna i allt - är ett av de ledande valen för att göra qubits. Under de senaste åren har forskare har kontrollerat 10 till 20 atom qubits i småskaliga kvantsimuleringar.
För närvarande, teknikindustrin tappar, nystartade och universitetsforskare är i ett hårt lopp för att bygga prototyp kvantdatorer som kan styra ännu fler qubits. Men qubits är känsliga och måste hålla sig isolerade från miljön för att skydda enhetens kvantitet. För varje extra qubit blir detta skydd svårare, särskilt om qubits inte är identiska från början, som är fallet med tillverkade kretsar. Detta är en anledning till att atomer är ett attraktivt val som dramatiskt kan förenkla processen att skala upp till storskaliga kvantmaskiner.
Konstnärens skildring av en kvantsimulering. Lasrar manipulerar en rad med mer än 50 atom qubits för att studera dynamiken i kvantmagnetism. Upphovsman:E. Edwards/JQI
En atomfördel
Till skillnad från moderna dators integrerade kretsar, atom qubits bor inuti en rumstemperatur vakuumkammare som upprätthåller ett tryck som liknar yttre rymden. Denna isolering är nödvändig för att hålla den destruktiva miljön på avstånd, och det gör det möjligt för forskarna att exakt styra atom qubits med ett högkonstruerat nätverk av lasrar, linser, speglar, optiska fibrer och elektriska kretsar.
"Principerna för kvantberäkning skiljer sig radikalt från konventionella datorer, så det finns ingen anledning att förvänta sig att dessa två tekniker kommer att se likadana ut, säger Monroe.
I 53-qubit-simulatorn, jonqubiterna är gjorda av atomer som alla har samma elektriska laddning och därför stöter bort varandra. Men när de skjuter bort varandra, ett elektriskt fält som genereras av en fälla tvingar dem ihop igen. De två effekterna balanserar varandra, och jonerna ställer upp en enda fil. Fysiker utnyttjar den inneboende avstötningen för att skapa avsiktliga jon-till-jon-interaktioner, som är nödvändiga för att simulera interaktivt kvantämne.
Kvantsimuleringen börjar med en laserpuls som styr alla qubiterna i samma tillstånd. Sedan, en andra uppsättning laserstrålar interagerar med jon qubits, tvingar dem att agera som små magneter, som alla har en nord- och sydpol. Teamet gör plötsligt det andra steget, som tappar qubiterna till handling. De känner sig splittrade mellan två val, eller faser, av kvantämne. Som magneter, de kan antingen rikta in sina poler med sina grannar för att bilda en ferromagnet eller peka i slumpmässiga riktningar som inte ger någon magnetisering. Fysikerna kan ändra laserstrålarnas relativa styrkor och observera vilken fas som vinner under olika laserförhållanden.
Hela simuleringen tar bara några millisekunder. Genom att upprepa processen många gånger och mäta de resulterande tillstånden på olika punkter under simuleringen, laget kan se processen när den utvecklas från början till slut. Forskarna observerar hur qubitmagneterna organiseras när olika faser bildas, dynamik som författarna säger är nästan omöjlig att beräkna med konventionella medel när det finns så många interaktioner.
Denna kvantsimulator är lämplig för att sondera magnetisk materia och relaterade problem. Men andra typer av beräkningar kan behöva en mer allmän kvantdator med godtyckligt programmerbara interaktioner för att få ett uppsving.
"Kvantsimuleringar anses allmänt vara en av de första användbara applikationerna för kvantdatorer, säger Alexey Gorshkov, NIST teoretisk fysiker och medförfattare till studien. "Efter att ha fullbordat dessa kvantsimulatorer, vi kan sedan implementera kvantkretsar och så småningom kvantansluta många sådana jonkedjor tillsammans för att bygga en kvantdator i full skala med en mycket bredare applikationsdomän. "
När de ser ut att lägga till ännu fler qubits, laget tror att dess simulator kommer att ge sig ut på mer beräkningsmässigt utmanande terräng, bortom magnetism. "Vi fortsätter att förfina vårt system, och vi tror att snart vi kommer att kunna styra 100 jon qubits, eller mer, "säger Jiehang Zhang, studiens huvudförfattare och UMD -postdoktor. "Vid det tillfället, vi kan potentiellt utforska svåra problem inom kvantkemi eller materialdesign. "
