Eine Gruppe von Physikern des Harvard Center for Ultracold Atoms, des MIT und anderer Universitäten hat einen speziellen Quantencomputer entwickelt, der als programmierbarer Quantensimulator bekannt ist und mit 256 Quantenbits oder "Qubits" arbeiten kann.
Das System markiert einen wichtigen Schritt in Richtung groß angelegter Quantenmaschinen, mit denen viele komplexe Quantenprozesse beleuchtet und letztendlich zu echten Durchbrüchen in der Materialwissenschaft, Kommunikationstechnologie, Medizin und vielen anderen Bereichen beigetragen werden kann.
Qubits sind die grundlegenden Bausteine, die Quantencomputer betreiben und die Quelle ihrer enormen Rechenleistung sind.
„Das führt uns in ein neues Gebiet, in dem noch nie zuvor jemand war“, sagt Mikhail Lukin, einer der Hauptautoren der Studie. "Wir betreten einen ganz neuen Teil der Quantenwelt."
Es ist die Kombination aus beispielloser Größe und Programmierbarkeit des Systems, die es an die Spitze des Rennens um einen Quantencomputer stellt, der die mysteriösen Eigenschaften der Materie in einem extrem kleinen Maßstab nutzt, um die Rechenleistung dramatisch zu erhöhen, sagen Wissenschaftler.
Unter den richtigen Umständen bedeutet die Erhöhung der Anzahl der Qubits, dass das System exponentiell mehr Informationen speichern und verarbeiten kann als die klassischen Bits, auf denen Standardcomputer laufen.
„Die Zahl der mit 256 Qubits möglichen Quantenzustände übersteigt die Zahl der Atome im Sonnensystem“, erklären die Forscher die immensen Fähigkeiten des Systems.
Der Simulator hat es Forschern bereits ermöglicht, mehrere exotische Quantenzustände der Materie zu beobachten, die noch nie zuvor experimentell realisiert wurden, und Quanten-Phasenübergänge mit einer solchen Präzision zu studieren, dass sie als Lehrbuchbeispiel für die Funktionsweise des Magnetismus auf Quantenebene dienen.
Das Projekt nutzt eine deutlich aktualisierte Version der von den Forschern im Jahr 2017 entwickelten Plattform, die bis zu 51 Qubits groß sein kann. Dieses alte System ermöglichte es Forschern, ultrakalte Rubidiumatome einzufangen und sie mit einer eindimensionalen Anordnung einzeln fokussierter Laserstrahlen, die als optische Pinzetten bezeichnet werden, in einer bestimmten Reihenfolge anzuordnen.
Das neue System ermöglicht das Sammeln von Atomen in zweidimensionalen Anordnungen optischer Pinzetten. Dadurch erhöht sich die erreichbare Systemgröße von 51 auf 256 Qubits. Mit einer Pinzette können Forscher Atome in defektfreien Mustern anordnen und programmierbare Formen wie quadratische, wabenförmige oder dreieckige Gitter erstellen, um unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen Qubits zu erzeugen.
„Unsere Arbeit ist Teil eines wirklich intensiven und sichtbaren globalen Wettlaufs um den Bau größerer und besserer Quantencomputer“, sagte Tut Wang, einer der Autoren der Arbeit.
"An dieser gemeinsamen Anstrengung sind (neben unseren eigenen) führende akademische Forschungseinrichtungen und große private Investoren von Google, IBM, Amazon und vielen anderen beteiligt."
Forscher arbeiten derzeit daran, das System zu verbessern, indem sie die Lasersteuerung von Qubits verbessern und das System programmierbarer machen. Sie erforschen auch aktiv, wie das System für neue Anwendungen genutzt werden kann, von der Erforschung exotischer Formen von Quantenmaterie bis hin zur Lösung komplexer Probleme der realen Welt, die auf natürliche Weise auf Qubits codiert werden können.
„Diese Arbeit eröffnet eine Vielzahl neuer wissenschaftlicher Richtungen“, sagen die Wissenschaftler. "Wir sind weit von den Grenzen des Verständnisses entfernt, was mit diesen Systemen gemacht werden kann."
Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
2021-07-11 06:41:56
Autor: Vitalii Babkin