اختراق في الحوسبة الكمومية بجامعة هارفارد – معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا – “نحن ندخل جزءًا جديدًا تمامًا من عالم الكم”

يطور الفريق جهاز محاكاة بـ 256 كيوبت ، وهو الأكبر من نوعه على الإطلاق.

طور فريق من علماء الفيزياء من مركز هارفارد-إم آي تي ​​للذرات فائقة البرودة وجامعات أخرى نوعًا خاصًا من أجهزة الكمبيوتر الكمومية يُعرف باسم المحاكي الكمومي القابل للبرمجة القادر على العمل باستخدام 256 بت كمي أو “كيوبت”.

يمثل النظام خطوة رئيسية نحو بناء آلات كمومية واسعة النطاق يمكن استخدامها لتسليط الضوء على مجموعة من العمليات الكمومية المعقدة وفي النهاية المساعدة في تحقيق اختراقات في العالم الحقيقي في علوم المواد وتقنيات الاتصال والتمويل والعديد من المجالات الأخرى ، التغلب على عقبات البحث التي تتجاوز قدرات حتى أسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم. Qubits هي اللبنات الأساسية التي تعمل عليها أجهزة الكمبيوتر الكمومية ومصدر قوتها الهائلة في المعالجة.

قال ميخائيل لوكين ، أستاذ الفيزياء في جورج فاسمر ليفيرت ، والمدير المشارك لمبادرة هارفارد الكمومية ، وأحد كبار مؤلفي الدراسة: “ينقل هذا المجال إلى مجال جديد لم يسبق أن ذهب إليه أحد حتى الآن”. نُشر في 7 يوليو 2021 في المجلة طبيعة. “نحن ندخل جزءًا جديدًا تمامًا من عالم الكم.”

قام Dolev Bluvstein (من اليسار) و Mikhail Lukin و Sepehr Ebadi بتطوير نوع خاص من أجهزة الكمبيوتر الكمومية يُعرف باسم المحاكي الكمومي القابل للبرمجة. تقوم عبادي بمحاذاة الجهاز الذي يسمح لهم بإنشاء ملاقط بصرية قابلة للبرمجة. الائتمان: روز لينكولن / مصور فريق هارفارد

وفقًا لسبهر عبادي ، طالب الفيزياء في كلية الدراسات العليا للفنون والعلوم والمؤلف الرئيسي للدراسة ، فإن الجمع بين الحجم غير المسبوق وإمكانية البرمجة هو ما يضعه في طليعة السباق للحصول على كمبيوتر كمي ، والذي يسخر خصائص غامضة للمادة بمقاييس صغيرة للغاية لتعزيز قوة المعالجة بشكل كبير. في ظل الظروف المناسبة ، تعني الزيادة في الكيوبتات أن النظام يمكنه تخزين ومعالجة معلومات أكثر أضعافًا من البتات التقليدية التي تعمل عليها أجهزة الكمبيوتر القياسية.

قال عبادي: “إن عدد الحالات الكمومية الممكنة باستخدام 256 كيوبت فقط يتجاوز عدد الذرات في النظام الشمسي” ، موضحًا الحجم الهائل للنظام.

بالفعل ، سمح المحاكي للباحثين بملاحظة العديد من الحالات الكمومية الغريبة للمادة التي لم يتم إدراكها من قبل بشكل تجريبي ، وإجراء دراسة انتقالية لمرحلة الكم دقيقة للغاية بحيث تكون بمثابة مثال كتابي لكيفية عمل المغناطيسية على المستوى الكمومي.

من خلال ترتيبها في إطارات متسلسلة والتقاط صور لذرات مفردة ، يمكن للباحثين حتى أن يسخروا من مقاطع فيديو الذرة. الائتمان: بإذن من مجموعة Lukin

توفر هذه التجارب رؤى قوية حول خصائص المواد الكامنة في فيزياء الكم ويمكن أن تساعد العلماء في إظهار كيفية تصميم مواد جديدة بخصائص غريبة.

يستخدم المشروع نسخة مطورة بشكل كبير من النظام الأساسي الذي طوره الباحثون في عام 2017 ، والذي كان قادرًا على الوصول إلى حجم 51 كيوبت. سمح هذا النظام الأقدم للباحثين بالتقاط ذرات الروبيديوم شديدة البرودة وترتيبها بترتيب معين باستخدام مجموعة أحادية البعد من أشعة الليزر المركزة بشكل فردي تسمى ملاقط بصرية.

يسمح هذا النظام الجديد بتجميع الذرات في مصفوفات ثنائية الأبعاد من ملاقط بصرية. يؤدي هذا إلى زيادة حجم النظام الذي يمكن تحقيقه من 51 إلى 256 كيوبت. باستخدام الملقط ، يمكن للباحثين ترتيب الذرات في أنماط خالية من العيوب وإنشاء أشكال قابلة للبرمجة مثل المشابك المربعة أو قرص العسل أو المثلث لهندسة تفاعلات مختلفة بين الكيوبتات.

تنظر Dolev Bluvstein إلى ليزر 420 مم يسمح لها بالتحكم في ذرات Rydberg وتشابكها. الائتمان: جامعة هارفارد

قال عبادي: “إن العمود الفقري لهذه المنصة الجديدة هو جهاز يسمى مبدل الضوء المكاني ، والذي يستخدم لتشكيل واجهة موجة بصرية لإنتاج مئات من حزم الملقاط الضوئية المركزة بشكل فردي”. “هذه الأجهزة هي في الأساس نفس ما يتم استخدامه داخل جهاز عرض الكمبيوتر لعرض الصور على الشاشة ، لكننا قمنا بتكييفها لتكون مكونًا مهمًا في جهاز محاكاة الكم لدينا.”

يكون التحميل الأولي للذرات في الملاقط الضوئية عشوائيًا ، ويجب على الباحثين تحريك الذرات حولها لترتيبها في الأشكال الهندسية المستهدفة. استخدم الباحثون مجموعة ثانية من الملاقط الضوئية المتحركة لسحب الذرات إلى مواقعها المرغوبة ، مما يلغي العشوائية الأولية. يمنح الليزر الباحثين تحكمًا كاملاً في تحديد مواقع الكيوبتات الذرية ومعالجتها الكمومية المتماسكة.

ومن بين كبار المؤلفين الآخرين للدراسة أساتذة جامعة هارفارد سوبير ساشديف وماركوس جرينير ، الذين عملوا في المشروع جنبًا إلى جنب مع أستاذ معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، فلادان فوليتيتش ، وعلماء من ستانفورد ، وجامعة كاليفورنيا بيركلي ، وجامعة إنسبروك في النمسا ، والنمسا. أكاديمية العلوم وشركة QuEra Computing Inc. في بوسطن.

قال توت وانج ، باحث مشارك في الفيزياء في جامعة هارفارد وأحد مؤلفي الورقة البحثية: “إن عملنا جزء من سباق عالمي مكثف حقًا وعالي الوضوح لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية أكبر وأفضل”. ”الجهد العام [beyond our own] لديها أفضل مؤسسات البحث الأكاديمي المشاركة واستثمارات كبيرة من القطاع الخاص من Google و IBM و Amazon وغيرها الكثير “.

يعمل الباحثون حاليًا على تحسين النظام من خلال تحسين التحكم بالليزر في الكيوبتات وجعل النظام أكثر قابلية للبرمجة. كما أنهم يستكشفون بنشاط كيفية استخدام النظام للتطبيقات الجديدة ، بدءًا من استكشاف الأشكال الغريبة للمادة الكمومية إلى حل مشكلات العالم الحقيقي الصعبة التي يمكن ترميزها بشكل طبيعي على الكيوبتات.

قالت عبادي: “يتيح هذا العمل عددًا كبيرًا من الاتجاهات العلمية الجديدة”. “نحن لسنا قريبين من حدود ما يمكن فعله بهذه الأنظمة.”

المرجع: “الأطوار الكمية للمادة على جهاز محاكاة كمي قابل للبرمجة سعة 256 ذرة” بقلم Sepehr Ebadi ، Tout T. Wang ، Harry Levine ، Alexander Keesling ، Giulia Semeghini ، Ahmed Omran ، Dolev Bluvstein ، Rhin Samajdar ، Hannes Pichler ، Wen Wei Ho ، سونون تشوي ، سوبير ساشديف ، ماركوس غرينر ، فلادان فوليتش ​​وميخائيل دي لوكين ، 7 يوليو 2021 ، طبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03582-4

تم دعم هذا العمل من قبل مركز Ultracold Atoms ، والمؤسسة الوطنية للعلوم ، وزمالة كلية فانيفار بوش ، ووزارة الطاقة الأمريكية ، ومكتب البحوث البحرية ، ومكتب أبحاث الجيش MURI ، وبرنامج DARPA ONISQ.