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

يقوم الفريق بتطوير 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 العديد من العمليات الكمية المعقدة وربما تساعد في تحقيق اختراقات في العالم الحقيقي في مجالات علوم المواد وتقنيات الاتصال والتمويل والعديد من المجالات الأخرى . التغلب على عقبات البحث التي تتجاوز قدرات 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 الكمية وأحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة: “إن هذا ينقل المجال إلى مجال جديد لم يسبق له مثيل من قبل”. نُشر في 7 يوليو 2021 في المجلة طبيعة. “نحن ندخل جزءًا جديدًا تمامًا من عالم الكم. “

قام Dolev Bluvstein (من اليسار إلى اليمين) 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 لـ Sepehr Ebadi ، طالب الفيزياء في كلية الدراسات العليا للفنون والعلوم والمؤلف الرئيسي للدراسة ، فإن الجمع بين الحجم غير المسبوق للنظام 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 زيادة الكيوبتات أن النظام يمكنه تخزين ومعالجة المزيد من المعلومات بشكل أسي من البتات التقليدية التي تعمل عليها أجهزة الكمبيوتر القياسية.

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

بالفعل ، سمح المحاكي للباحثين بملاحظة العديد من الحالات الكمية الغريبة للمادة التي لم يتم تحقيقها من قبل بشكل تجريبي من قبل ، وإجراء دراسة انتقالية لمرحلة الكم دقيقة للغاية بحيث تعمل كمثال كلاسيكي لعمل المغناطيسية على المستوى الكمومي.

من خلال ترتيبها في إطارات متسلسلة والتقاط صور لذرات مفردة ، يمكن للباحثين حتى إنشاء مقاطع فيديو مضحكة للذرات. الائتمان: بإذن من Lukin Group

توفر هذه التجارب معلومات قوية عن فيزياء الكم الكامنة وراء خصائص المواد ويمكن أن تساعد العلماء في توضيح كيفية تصميم مواد جديدة بخصائص غريبة.

يستخدم المشروع نسخة محسنة بشكل كبير من منصة طورها الباحثون في عام 2017 ، قادرة على الوصول إلى حجم 51 كيوبت. سمح هذا النظام القديم 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 المصفوفات المربعة أو المربعة أو المثلثة الشكل لتصميم تفاعلات مختلفة بين الكيوبتات.

يقوم Dolev Bluvstein بفحص ليزر 420 مم الذي يسمح لهم بالتحكم في ذرات Rydberg وتشابكها. الائتمان: جامعة هارفارد

قال عبادي: “إن العمود الفقري لهذه المنصة الجديدة هو جهاز يسمى مُعدِّل الضوء المكاني ، والذي يستخدم لتشكيل واجهة موجة ضوئية لإنتاج مئات من الحزم الضوئية للملقاط ذات التركيز الفردي”. “هذه الأجهزة هي في الأساس نفس الأجهزة المستخدمة داخل جهاز عرض الكمبيوتر لعرض الصور على الشاشة ، لكننا قمنا بتكييفها لتصبح مكونًا أساسيًا في جهاز محاكاة الكم لدينا.”

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

ومن بين المؤلفين الرئيسيين الآخرين في الدراسة أساتذة جامعة هارفارد سوبير ساشديف وماركوس غرينر ، الذين عملوا في المشروع مع البروفيسور فلادان فولتيتش من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وعلماء في ستانفورد ، جامعة كاليفورنيا في بيركلي. ، جامعة إنسبروك في النمسا ، الأكاديمية العلوم و QuEra Computing Inc. في بوسطن.

قال توت وانج ، باحث الفيزياء المشارك في جامعة هارفارد وأحد مؤلفي المقال: “إن عملنا جزء من سباق عالمي مكثف للغاية وعالي الوضوح لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية أكبر وأفضل”. “الجهد العام [beyond our own] لديها أفضل مؤسسات البحث الأكاديمي المشاركة واستثمارات القطاع الخاص الرئيسية 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 الكثير من الاتجاهات العلمية الجديدة”. نحن بعيدون عن حدود ما يمكن عمله بهذه الأنظمة. “

المرجع: “الأطوار الكمية للمادة على محاكاة كمومية قابلة للبرمجة مع 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.