Разработан квантовый компьютер с 256 кубитами, крупнейший из когда-либо созданных

Группа физиков из Центра ультрахолодных атомов Гарварда и Массачусетского технологического института и других университетов разработала квантовый компьютер особого типа, известный как программируемый квантовый симулятор, способный работать с 256 квантовыми битами или «кубитами».

Система знаменует собой важный шаг на пути к созданию крупномасштабных квантовых машин, которые могут быть использованы, чтобы пролить свет на множество сложных квантовых процессов и, в конечном итоге, помочь совершить реальные прорывы в материаловедении, коммуникационных технологиях, медицине и многих других областях.

Кубиты — это фундаментальные строительные блоки, на которых работают квантовые компьютеры, и источник их огромной вычислительной мощности.

«Это перемещает нас в новую область, где до сих пор никто никогда не был», — сказал Михаил Лукин, один из главных авторов исследования. «Мы входим в совершенно новую часть квантового мира».

По словам ученых, именно сочетание беспрецедентного размера системы и программируемости ставит ее на передний край гонки за квантовый компьютер, который использует загадочные свойства материи в чрезвычайно малых масштабах для значительного увеличения вычислительной мощности.

При правильных обстоятельствах увеличение количества кубитов означает, что система может хранить и обрабатывать экспоненциально больше информации, чем классические биты, на которых работают стандартные компьютеры.

«Количество квантовых состояний, которые возможны с 256 кубитами, превышает количество атомов в солнечной системе», — говорят исследователи, объясняя огромные возможности системы.

Симулятор уже позволил исследователям наблюдать несколько экзотических квантовых состояний материи, которые никогда раньше не были реализованы экспериментально, и провести исследование квантовых фазовых переходов с такой точностью, что они служат примером из учебника того, как магнетизм работает на квантовом уровне.

В проекте используется значительно обновленная версия платформы, разработанной исследователями в 2017 году, которая может достигать размера 51 кубита. Эта старая система позволила исследователям захватывать сверххолодные атомы рубидия и располагать их в определенном порядке с помощью одномерного массива индивидуально сфокусированных лазерных лучей, называемых оптическим пинцетом.

Новая система позволяет собирать атомы в двумерные массивы оптического пинцета. Это увеличивает достижимый размер системы с 51 до 256 кубитов. Используя пинцет, исследователи могут расположить атомы в бездефектных шаблонах и создать программируемые формы, такие как квадратные, сотовые или треугольные решетки, для создания различных взаимодействий между кубитами.

«Наша работа является частью действительно интенсивной и заметной глобальной гонки за построение более крупных и лучших квантовых компьютеров», — сказал Тут Ван, один из авторов работы.

«В общих усилиях (помимо наших собственных) участвуют ведущие академические исследовательские институты и крупные частные инвесторы от Google, IBM, Amazon и многих других».

В настоящее время исследователи работают над улучшением системы, улучшая лазерный контроль над кубитами и делая систему более программируемой. Они также активно изучают, как систему можно использовать для новых приложений, от исследования экзотических форм квантовой материи до решения сложных реальных проблем, которые можно естественным образом закодировать на кубитах.

«Эта работа открывает огромное количество новых научных направлений», — говорят ученые. «Мы далеки от пределов понимания того, что можно сделать с этими системами».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.