I fisici sviluppano computer quantistici speciali con 256 Qubit
In quello che è un importante progresso nell’informatica quantistica, un team di fisici dell’Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms e altre università hanno creato un tipo speciale di computer quantistico. Questo sistema è chiamato simulatore quantistico programmabile e può funzionare con 256 bit quantistici o “qubit”. I qubit sono fondamentali per il funzionamento dei computer quantistici e sono la fonte della loro potenza di elaborazione.
Il nuovo sviluppo ci avvicina al raggiungimento di macchine quantistiche su larga scala, che potrebbero essere utilizzate per ottenere informazioni approfondite su processi quantistici complessi. Potrebbero anche avere importanti implicazioni in campi come la scienza dei materiali, le tecnologie della comunicazione, la finanza e vari altri che attualmente stanno affrontando ostacoli nella ricerca.
La ricerca è stata pubblicata il 9 luglio su Nature .
Spingendo il campo in avanti
Mikhail Lukin è il professore di fisica George Vasmer Leverett e co-direttore dell’Harvard Quantum Initiative. È anche uno degli autori senior dello studio.
“Questo sposta il campo in un nuovo dominio in cui nessuno è mai stato finora”, ha affermato Lukin. “Stiamo entrando in una parte completamente nuova del mondo quantistico”.
Sepehr Ebadi è uno studente di fisica presso la Graduate School of Arts and Sciences e l’autore principale dello studio.
Secondo Ebadi, le maggiori caratteristiche del sistema sono le sue dimensioni e programmabilità, che lo rendono uno dei migliori sistemi in circolazione. Può sfruttare le proprietà della materia su scale estremamente ridotte, che gli consentono di aumentare la potenza di elaborazione. Un aumento dei qubit può aiutare il sistema a memorizzare ed elaborare esponenzialmente più informazioni rispetto ai bit classici, su cui si basano i computer standard.
“Il numero di stati quantistici possibili con solo 256 qubit supera il numero di atomi nel sistema solare”, ha detto Ebadi.
Il simulatore ha consentito ai ricercatori di osservare stati quantistici esotici della materia, nonché di eseguire uno studio di transizione di fase quantistica, estremamente preciso e che ha dimostrato come funziona il magnetismo a livello quantistico.
Secondo i ricercatori, questi esperimenti potrebbero aiutare gli scienziati a imparare come progettare nuovi materiali con proprietà esotiche.
Il nuovo sistema
Il progetto si basa su una piattaforma sviluppata nel 2017 dai ricercatori, ma questa volta è stata notevolmente migliorata. In passato era in grado di raggiungere una dimensione di 51 qubit e ha permesso ai ricercatori di catturare atomi di rubidio ultrafreddi e di disporli in un ordine specifico attraverso l’uso di una matrice unidimensionale di raggi laser focalizzati individualmente.
Questo sistema consente di assemblare gli atomi in matrici bidimensionali di pinzette ottiche, che è il nome dei raggi laser. Ciò consente alle dimensioni del sistema realizzabili di aumentare da 51 a 256 qubit. I ricercatori possono quindi utilizzare le pinzette per disporre gli atomi in schemi privi di difetti e creare forme programmabili, che consentono diverse interazioni tra i qubit.
“Il cavallo di battaglia di questa nuova piattaforma è un dispositivo chiamato modulatore di luce spaziale, che viene utilizzato per modellare un fronte d’onda ottico per produrre centinaia di fasci di pinzette ottici focalizzati individualmente”, ha affermato Ebadi. “Questi dispositivi sono essenzialmente gli stessi di quelli utilizzati all’interno di un proiettore per computer per visualizzare le immagini su uno schermo, ma li abbiamo adattati per essere un componente fondamentale del nostro simulatore quantistico”.
Gli atomi vengono prima caricati casualmente nelle pinzette ottiche prima che i ricercatori spostino gli atomi e li dispongano in geometrie target. Un secondo set di pinzette ottiche mobili viene quindi utilizzato per trascinare gli atomi nelle posizioni desiderate, eliminando la casualità iniziale. I laser consentono ai ricercatori di assumere il pieno controllo del posizionamento dei qubit atomici e della loro manipolazione quantistica coerente.
Tout Wang è un ricercatore associato in fisica ad Harvard e uno degli autori dell’articolo.
“Il nostro lavoro fa parte di una corsa globale davvero intensa e ad alta visibilità per costruire computer quantistici più grandi e migliori”, ha affermato Wang. “Lo sforzo complessivo [oltre il nostro] ha coinvolto i migliori istituti di ricerca accademici e importanti investimenti del settore privato da parte di Google, IBM, Amazon e molti altri”.
Il team sta ora lavorando per migliorare il sistema migliorando il controllo laser sui qubit e rendendo il sistema più programmabile. Secondo i ricercatori, le possibili applicazioni includono sondare forme esotiche di materia quantistica e risolvere problemi del mondo reale che possono essere codificati naturalmente sui qubit.
“Questo lavoro consente un vasto numero di nuove direzioni scientifiche”, ha detto Ebadi. “Non siamo neanche lontanamente vicini ai limiti di ciò che si può fare con questi sistemi”.
