Ett team av fysiker från Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms och andra universitet har utvecklat en speciell typ av kvantdator känd som en programmerbar kvantsimulator som kan arbeta med 256 kvantbitar, eller "qubits".

Systemet markerar ett stort steg mot att bygga storskaliga kvantmaskiner som kan användas för att belysa en mängd komplexa kvantprocesser och så småningom bidra till verkliga genombrott inom materialvetenskap, kommunikationsteknik, finansiera, och många andra områden, övervinna forskningshinder som ligger utanför möjligheterna för även de snabbaste superdatorerna idag. Qubits är de grundläggande byggstenarna som kvantdatorer körs på och källan till deras enorma processorkraft.

"Detta flyttar fältet till en ny domän där ingen någonsin har varit på hittills, sa Mikhail Lukin, George Vasmer Leverett professor i fysik, meddirektör för Harvard Quantum Initiative, och en av seniorförfattarna till studien som publicerades i dag i tidskriften Natur . "Vi går in i en helt ny del av kvantvärlden."

Enligt Sepehr Ebadi, en fysikstudent vid Graduate School of Arts and Sciences och studiens huvudförfattare, det är kombinationen av systemets oöverträffade storlek och programmerbarhet som sätter det i framkanten av racet för en kvantdator, som utnyttjar materiens mystiska egenskaper i extremt små skalor för att kraftigt främja processkraften. Under rätt omständigheter, ökningen av qubits innebär att systemet kan lagra och bearbeta exponentiellt mer information än de klassiska bitar som standarddatorer körs på.

"Antalet kvanttillstånd som är möjliga med endast 256 qubits överstiger antalet atomer i solsystemet, " Ebadi sa, förklarar systemets enorma storlek.

Redan, simulatorn har gjort det möjligt för forskare att observera flera exotiska kvanttillstånd av materia som aldrig tidigare hade realiserats experimentellt, och att utföra en kvantfasövergångsstudie så exakt att den fungerar som läroboksexempel på hur magnetism fungerar på kvantnivå.

Dessa experiment ger kraftfulla insikter om kvantfysiken bakom materialegenskaper och kan hjälpa till att visa forskare hur man designar nya material med exotiska egenskaper.

Projektet använder en betydligt uppgraderad version av en plattform som forskarna utvecklade 2017, som kunde nå en storlek på 51 qubits. Det äldre systemet tillät forskarna att fånga ultrakalla rubidiumatomer och ordna dem i en specifik ordning med hjälp av en endimensionell uppsättning individuellt fokuserade laserstrålar som kallas optiska pincetter.

Detta nya system gör att atomerna kan sättas samman i tvådimensionella arrayer av optiska pincett. Detta ökar den uppnåbara systemstorleken från 51 till 256 qubits. Med hjälp av pincett, forskare kan ordna atomerna i defektfria mönster och skapa programmerbara former som kvadrater, vaxkaka, eller triangulära gitter för att konstruera olika interaktioner mellan qubits.

"Arbetshästen för den här nya plattformen är en enhet som kallas rumslig ljusmodulator, som används för att forma en optisk vågfront för att producera hundratals individuellt fokuserade optiska pincettstrålar, ", sa Ebadi. "Dessa enheter är i huvudsak desamma som de som används inuti en datorprojektor för att visa bilder på en skärm, men vi har anpassat dem för att vara en kritisk komponent i vår kvantsimulator."

Den initiala laddningen av atomerna i den optiska pincetten är slumpmässig, och forskarna måste flytta runt atomerna för att ordna dem i sina målgeometrier. Forskarna använder en andra uppsättning rörliga optiska pincett för att dra atomerna till deras önskade platser, eliminera den initiala slumpen. Lasrar ger forskarna fullständig kontroll över placeringen av atom qubits och deras sammanhängande kvantmanipulation.

Andra seniorförfattare till studien inkluderar Harvard-professorerna Subir Sachdev och Markus Greiner, som arbetade på projektet tillsammans med Massachusetts Institute of Technology Professor Vladan Vuletić, och forskare från Stanford, University of California Berkeley, universitetet i Innsbruck i Österrike, österrikiska vetenskapsakademin, och QuEra Computing Inc. i Boston.

"Vårt arbete är en del av en riktigt intensiv, global kapplöpning med hög synlighet för att bygga större och bättre kvantdatorer, sa Tout Wang, en forskningsassistent i fysik vid Harvard och en av tidningens författare. "Den övergripande ansträngningen [utöver vår egen] har de främsta akademiska forskningsinstitutioner involverade och stora investeringar från den privata sektorn från Google, IBM, Amazon, och många andra."

Forskarna arbetar för närvarande med att förbättra systemet genom att förbättra laserkontrollen över qubits och göra systemet mer programmerbart. De undersöker också aktivt hur systemet kan användas för nya applikationer, allt från att sondera exotiska former av kvantmateria till att lösa utmanande verkliga problem som naturligt kan kodas på qubits.

"Detta arbete möjliggör ett stort antal nya vetenskapliga riktningar, " Ebadi sa. "Vi är inte i närheten av gränserna för vad som kan göras med dessa system."

Denna berättelse publiceras med tillstånd av Harvard Gazette, Harvarduniversitetets officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.