Recordbrekende 53-Qubit Quantum Simulator onthuld

• Natuurkundigen hebben 53 op elkaar inwerkende kwantummagneten gebouwd, waardoor een configuratie van een miljard magneten mogelijk is.
• Het is een kwantumcomputer van een beperkt type die atomaire qubits gebruikt om ingewikkelde kwantummaterie na te bootsen.
• Ze hebben elke qubit gemeten met een efficiëntie van ongeveer 99 procent.

Natuurkundigen van de Universiteit van Maryland en het National Institute of Standards and Technology hebben 53 op elkaar inwerkende atomaire qubits gebruikt om magnetische kwantummaterie na te bootsen, waarmee ze een nieuw record hebben gevestigd. Het is de grootste kwantumsimulatie ooit uitgevoerd met uiterst efficiënte, eenmalige meting van individuele qubits.

Ze gebruikten tot 53 ytterbium-ionen, dit zijn veranderde atomen die worden opgevangen door vlijmscherpe, met goud beklede elektroden. Een aanvullend systeem ontwikkeld door wetenschappers van MIT en Harvard maakt gebruik van 51 rubidiumatomen die worden opgesloten door laserstralen. Dit experimentele platform zou kunnen worden uitgebreid om harde kwantumproblemen (zoals Ising-sampling) op te lossen die ver buiten de grenzen van de snelste moderne supercomputer liggen.

Simulaties met kleinere aantallen gevangen ionenqubits zijn al gedemonstreerd, en nu met een hoger niveau van controle over de interactie tussen spin, kan dit systeem worden geüpgraded naar een universele kwantumcomputer.

Alle ionenqubits zijn stabiele atoomklokken, die gemakkelijk kunnen worden gerepliceerd. Externe laserstralen worden gebruikt om ze efficiënt aan elkaar te koppelen, wat betekent dat hetzelfde apparaat opnieuw kan worden geconfigureerd zonder de interne instellingen te verstoren. Dit wordt gedaan om elke vorm van quantum computing-app die in de toekomst verschijnt, aan te passen. Laten we eens kijken wat ze feitelijk hebben ontwikkeld en hoe dit nuttig is.

Wat is Quantum Simulators precies?

Kwantumsystemen zijn moeilijk te bestuderen in het laboratorium en vrijwel onmogelijk te modelleren met behulp van een supercomputer. Daarom gebruiken we een kwantumsimulator om de patronen en kenmerken van kwantumcomputers te bestuderen. Ze zijn speciaal ontwikkeld om details te geven over bepaalde natuurkundige problemen.

De techniek om een kwantumsysteem met meerdere deeltjes te simuleren vereist exponentiële tijd op een conventionele computer. We kunnen het echter via een kwantumcomputer simuleren met behulp van meerdere kwantumbits, vergelijkbaar met het aantal deeltjes in het oorspronkelijke systeem. Dit is uitgebreid naar een breed scala aan categorieën kwantumsystemen.

Tot op heden zijn kwantumsimulators gerealiseerd op tal van platforms, zoals gevangen ionen, supergeleidende circuits, ultrakoude kwantumgassen en fotonische systemen.

Quantum-hardware gebruiken voor Quantum-problemen

Moderne supercomputers kunnen niet meer dan twintig op elkaar inwerkende kwantumobjecten aan. Dat is het geval bij kwantummagnetisme, waarbij interacties kunnen leiden tot magnetische uitlijning op kwantumschaal.

Kwantumproblemen zijn doorgaans moeilijk omdat elke magneet interageert met alle andere magneten in het systeem. De simulator die natuurkundigen hebben ontwikkeld, beschikt over 53 op elkaar inwerkende kwantummagneten, waardoor een configuratie van biljarden magneten mogelijk is. Dit aantal wordt verdubbeld met de toevoeging van elke afzonderlijke magneet.

Het is een beperkt type kwantumcomputer die qubits gebruikt om ingewikkelde kwantummaterie na te bootsen. Qubits kunnen worden geïsoleerd en kunnen zich in twee of meer toestanden tegelijk bevinden. Ze zijn er in talloze vormen en de meest geprefereerde keuze voor het bouwen van qubits zijn atomen, de veelzijdige bouwsteen van alle zaken. De afgelopen jaren hebben natuurkundigen enorm succes geboekt bij het controleren van maximaal twintig qubits in kleinschalige kwantumsimulaties.

Waarom atomen gebruiken?

Om het kwantumkarakter van het apparaat te beschermen, moeten qubits geïsoleerd blijven van de omgeving. De bescherming wordt moeilijker naarmate elke qubit wordt toegevoegd, vooral als deze niet vanaf het begin identiek zijn, zoals bij gefabriceerde circuits. Dit is een van de belangrijkste redenen waarom atomen de voorkeur hebben voor qubits. Met atomen zou de kwantummachinerie gemakkelijk kunnen worden opgeschaald in vergelijking met gefabriceerde circuits.

In tegenstelling tot de huidige computer worden atomaire qubits bij kamertemperatuur in een vacuümkamer opgeslagen, waardoor de druk vrijwel gelijk blijft aan die van de ruimte. Door de isolatie van qubits kunnen natuurkundigen atomaire qubits nauwkeurig controleren met speciale lasers, spiegels, optische vezels, lenzen en elektrische circuits.
Momenteel richten de meeste technologiegiganten, universiteiten en zelfs startups zich op het ontwikkelen van prototypen van kwantummachines die een groot aantal qubits kunnen besturen.

53-Qubit-simulator

Alle atomaire qubits hebben dezelfde elektrische lading, waardoor ze elkaar afstoten. Terwijl ze elkaar verder wegduwen, dwingt een aangepast elektrisch veld hen weer bij elkaar. Deze twee krachten houden elkaar in evenwicht, waardoor ionen in één lijn blijven. Wetenschappers gebruiken de inherente afstoting om ion-tot-ion-interacties te genereren, die essentieel zijn voor het simuleren van op elkaar inwerkende kwantummaterie.

De laserpuls bestuurt alle qubits en zorgt ervoor dat ze in dezelfde staat komen om de kwantumsimulatie te starten. Een andere reeks laserstralen interageert vervolgens met de atomaire qubits, waardoor ze zich gedragen als kleine magneten. Qubits kunnen nu in willekeurige richting wijzen, wat resulteert in geen magnetisatie, of hun polen op één lijn brengen met hun buren om een ​​ferromagneet te creëren. Wetenschappers kunnen de sterkte van de straal veranderen en analyseren welke fase het wint onder talloze laseromstandigheden.

Referentie:Universiteit van Maryland | Natuur | DOI:10.1038/natuur24654

Het duurt slechts enkele milliseconden voordat de volledige simulatie plaatsvindt. Door dit proces verschillende keren te herhalen en de eindtoestanden op verschillende punten te analyseren, kunnen wetenschappers het proces observeren terwijl het zich van begin tot eind ontvouwt. Het zou helpen om te begrijpen hoe qubit-magneten zich volgens verschillende fasen organiseren.

Kunstenaars tekenen van laser die atomaire qubits manipuleert | Krediet:E. Edwards/JQI

Het onderzoeksteam paste een langeafstandsinteractie toe met een regelbaar bereik en sterkte, en berekende elke qubit met een efficiëntie van ongeveer 99 procent. Dit betekent dat veel lichaamscorrelaties tussen qubits in één keer konden worden berekend, waardoor de dynamische faseovergang direct kon worden onderzocht en hardnekkige kenmerken konden worden onthuld die afhankelijk zijn van hoge connectiviteit en langeafstandsinteracties tussen qubits.

Hoewel de simulator geschikt is voor het onderzoeken van magnetische materie, vereisen verschillende soorten berekeningen een meer algemene kwantummachine met programmeerbare interacties om effectief te kunnen presteren.

Wat is het volgende?

Dit soort kwantumsimulatoren zouden wetenschappers helpen kwantumcircuits te implementeren en uiteindelijk meerdere ionenketens met elkaar te verbinden om een complete kwantumcomputer te ontwikkelen met een breed scala aan toepassingen.

Lezen:10+ meest interessante feiten over kwantumcomputers

Het onderzoeksteam beweert dat ze binnenkort tot 100 ionenqubits of meer kunnen controleren. Op dat moment kunnen ze mogelijk nog moeilijkere problemen op het gebied van materiaalontwerp en kwantumchemie onderzoeken. D-Wave daarentegen beweert 2.000 qubits op een chip te produceren.

Intel, Google en IBM gebruiken daarentegen supergeleidende elektronische circuits om hun eigen kwantumcomputers te bouwen.