Harvard: Izdelan najzmogljivejši kvantni računalnik doslej

Ekipa fizikov s Harvarda in drugih univerz je razvila posebno vrsto kvantnega računalnika, znanega kot programabilni kvantni simulator. Sistem pomeni pomemben korak k izgradnji velikih kvantnih strojev, s katerimi bi lahko izboljšali številne zapletene kvantne procese. Tako bi lahko sčasoma pripomogli k resničnemu preboju na področju znanosti o materialih, komunikacijskih tehnologij, financ in številnih drugih področjih. Pri vseh teh področjih bi lahko premagali raziskovalne ovire, ki trenutno presegajo zmogljivosti celo najhitrejših superračunalnikov.

Vstop v nov del kvantnega sveta

Programabilni kvantni simulator deluje z 256 kvantnimi biti oziroma 'kubiti'. To so temeljni gradniki, na katerih delujejo kvantni računalniki in vir njihove ogromne računske moči. »S tem se področje pomika v novo domeno, v kateri do zdaj ni bil še nihče,« je dejal Mikhail Lukin, profesor fizike in eden od glavnih avtorjev študije, ki jo je povzela spletna stran The brighter side of news. Lukin, ki je sicer tudi eden od direktorjev Harvardske kvantne pobude, je v študiji zapisal: »Vstopamo v popolnoma nov del kvantnega sveta.«

Sepehr Ebadi, študent fizike in vodilni avtor študije, meni, da je njihov sistem zaradi svoje izjemne velikosti in možnosti programiranja v ospredju tekme za kvantni računalnik, ki izkorišča 'skrivnostne' lastnosti snovi na izjemno majhnih ravneh, da bi močno povečal računsko moč. V ustreznih okoliščinah lahko sistem zaradi povečanja števila kubitov shrani in obdela eksponentno več informacij kot klasični biti, na katerih delujejo standardni računalniki, navaja The brighter side of news.

»Število kvantnih stanj, ki so mogoča s samo 256 kubiti, presega število atomov v sončnem sistemu,« je dejal Ebadi, ko je pojasnjeval ogromno velikost sistema. Simulator je raziskovalcem že omogočil opazovanje več eksotičnih kvantnih stanj snovi, ki jih še nikoli prej niso spoznali.

Poleg tega so lahko izvedli tako natančno študijo kvantnega faznega prehoda, da služi kot učbeniški primer delovanja magnetizma na kvantni ravni. Ti poskusi omogočajo večji vpogled v kvantno fiziko, na kateri temeljijo lastnosti materialov, in tako znanstvenikom služijo kot 'vodič', kako oblikovati nove materiale z eksotičnimi lastnostmi.

Velike naložbe zasebnega sektorja

Nov sistem uporablja bistveno nadgrajeno različico platforme, ki so jo raziskovalci razvili leta 2017 in je lahko dosegla 'zgolj' 51 kubitov. »Delovni konj te nove platforme je naprava, imenovana prostorski svetlobni modulator, ki se uporablja za oblikovanje optične valovne fronte, da se ustvari na stotine individualno usmerjenih žarkov optične pincete,« je strokovno pojasnil Ebadi in dodal: »Te naprave so v bistvu enake tistim, ki se uporabljajo v računalniškem projektorju za prikazovanje slik na zaslonu, vendar smo jih prilagodili tako, da so ključna sestavina našega kvantnega simulatorja.«

Začetno nalaganje atomov v optične pincete je naključno, zato morajo raziskovalci atome premikati, da jih uredijo v ciljno geometrijo, denimo trikotno, kvadratno ali šesterokotno mrežo, navaja The brighter side of news. Raziskovalci uporabljajo drugi sklop premikajočih se optičnih pincet, s katerimi atome povlečejo na želene lokacije in tako odpravijo začetno naključnost. Laserji raziskovalcem omogočajo popoln nadzor nad postavitvijo atomskih kubitov in njihovo »koherentno kvantno manipulacijo«.

»Naše delo je del res intenzivne in odmevne svetovne tekme za izdelavo večjih in boljših kvantnih računalnikov,« je dejal Tout Wang, raziskovalni sodelavec za fiziko na Harvardu in eden od avtorjev članka. »V globalnem prizadevanju sodelujejo vrhunske akademske raziskovalne ustanove in velike naložbe podjetij iz zasebnega sektorja, kot so Google, IBM, Amazon in številni drugi.«

Raziskovalci si trenutno prizadevajo izboljšati sistem z izboljšanjem laserskega nadzora nad kubiti in izboljšanjem možnosti programiranja sistema. Prav tako aktivno raziskujejo, kako bi sistem lahko uporabili za nove aplikacije, od raziskovanja eksotičnih oblik kvantne snovi do reševanja zahtevnih problemov iz resničnega sveta.

»To delo omogoča številne nove znanstvene usmeritve,« je zapisal Ebadi. »Še zdaleč nismo prišli do meja možnosti, ki jih lahko dosežemo s temi sistemi.« Pri projektu so sodelovali tudi strokovnjaki in znanstveniki s Tehnološkega inštituta Massachusetts (MIT), Stanforda, Kalifornijske univerze Berkeley, Univerze Innsbruck v Avstriji, Avstrijske akademije znanosti in podjetja QuEra Computing iz Bostona.