Rekordverdächtiger 53-Qubit-Quantensimulator vorgestellt

• Physiker haben 53 wechselwirkende Quantenmagnete gebaut und damit eine Billiarden-Magnetkonfiguration möglich gemacht.
• Es handelt sich um einen Quantencomputer vom eingeschränkten Typ, der atomare Qubits verwendet, um komplizierte Quantenmaterie nachzuahmen.
• Sie haben jedes Qubit mit einer Effizienz von etwa 99 Prozent gemessen.

Physiker der University of Maryland und des National Institute of Standards and Technology haben 53 wechselwirkende atomare Qubits verwendet, um magnetische Quantenmaterie nachzuahmen und damit einen neuen Rekord aufgestellt. Es handelt sich um die größte jemals durchgeführte Quantensimulation mit hocheffizienter Einzelschussmessung einzelner Qubits.

Sie verwendeten bis zu 53 Ytterbiumionen, bei denen es sich um veränderte Atome handelt, die von messerscharfen, goldbeschichteten Elektroden eingefangen werden. Ein von MIT- und Harvard-Wissenschaftlern entwickeltes Komplementärsystem verwendet 51 Rubidiumatome, die von Laserstrahlen eingeschlossen werden. Diese experimentelle Plattform könnte erweitert werden, um schwierige Quantenprobleme (wie Ising-Sampling) zu lösen, die weit über die Grenzen des schnellsten modernen Supercomputers hinausgehen.

Simulationen mit einer geringeren Anzahl gefangener Ionen-Qubits wurden bereits demonstriert, und jetzt kann dieses System mit einem höheren Grad an Kontrolle über die Wechselwirkung zwischen Spin zu einem universellen Quantencomputer aufgerüstet werden.

Alle Ionen-Qubits sind stabile Atomuhren, die leicht repliziert werden könnten. Externe Laserstrahlen werden verwendet, um sie effizient miteinander zu verbinden, was bedeutet, dass dasselbe Gerät neu konfiguriert werden kann, ohne dass die internen Einstellungen gestört werden. Dies geschieht, um jede Art von Quantencomputer-App anzupassen, die in Zukunft auf den Markt kommt. Lassen Sie uns herausfinden, was sie tatsächlich entwickelt haben und welchen Nutzen es hat.

Was genau sind Quantensimulatoren?

Quantensysteme sind im Labor schwer zu untersuchen und mit einem Supercomputer kaum zu modellieren. Deshalb verwenden wir Quantensimulatoren, um die Muster und Merkmale des Quantencomputings zu untersuchen. Sie wurden speziell entwickelt, um Details zu bestimmten physikalischen Problemen bereitzustellen.

Die Technik zur Simulation eines Quantensystems mit mehreren Teilchen erfordert auf einem herkömmlichen Computer eine exponentielle Zeit. Wir können es jedoch mit einem Quantencomputer simulieren, indem wir mehrere Quantenbits verwenden, die der Anzahl der Teilchen im ursprünglichen System ähneln. Dies wurde auf eine Vielzahl von Kategorien von Quantensystemen ausgeweitet.

Bis heute wurden Quantensimulatoren auf zahlreichen Plattformen wie gefangenen Ionen, supraleitenden Schaltkreisen, ultrakalten Quantengasen und photonischen Systemen realisiert.

Verwendung von Quantenhardware für Quantenprobleme

Moderne Supercomputer können nicht mehr als 20 interagierende Quantenobjekte verarbeiten. Dies ist beim Quantenmagnetismus der Fall, wo Wechselwirkungen zu einer magnetischen Ausrichtung auf der Quantenskala führen könnten.

Quantenprobleme sind typischerweise schwierig, weil jeder Magnet mit allen anderen Magneten im System interagiert. Der von Physikern entwickelte Simulator verfügt über 53 interagierende Quantenmagnete, was eine Billiarden-Magnetkonfiguration ermöglicht. Mit der Hinzufügung jedes einzelnen Magneten verdoppelt sich diese Zahl.

Es handelt sich um eine eingeschränkte Art von Quantencomputer, der Qubits verwendet, um komplizierte Quantenmaterie nachzuahmen. Qubits können isoliert sein und sich gleichzeitig in zwei oder mehr Zuständen befinden. Es gibt sie in zahlreichen Formen und die bevorzugte Wahl für den Bau von Qubits sind Atome, die den vielseitigen Baustein aller Materie darstellen. In den letzten Jahren haben Physiker große Erfolge bei der Steuerung von bis zu 20 Qubits in Quantensimulationen im kleinen Maßstab erzielt.

Warum Atome verwenden?

Um die Quantennatur des Geräts zu schützen, müssen Qubits von der Umgebung isoliert bleiben. Der Schutz wird mit der Hinzufügung jedes Qubits schwieriger, insbesondere wenn sie nicht von Anfang an identisch sind, wie bei hergestellten Schaltkreisen. Dies ist einer der Hauptgründe, warum Atome die bevorzugte Wahl für Qubits sind. Mit Atomen könnte die Quantenmaschinerie im Vergleich zu hergestellten Schaltkreisen leicht vergrößert werden.

Im Gegensatz zu heutigen Computern werden atomare Qubits in einer Vakuumkammer bei Raumtemperatur gespeichert, wodurch der Druck dem des Weltraums sehr ähnlich bleibt. Die Isolierung von Qubits ermöglicht es den Physikern, atomare Qubits mit speziellen Lasern, Spiegeln, optischen Fasern, Linsen und elektrischen Schaltkreisen präzise zu steuern.
Derzeit konzentrieren sich die meisten Technologieriesen, Universitäten und sogar Start-ups auf die Entwicklung von Quantenmaschinen-Prototypen, die eine große Anzahl von Qubits steuern können.

53-Qubit-Simulator

Alle atomaren Qubits haben die gleiche elektrische Ladung, stoßen sich also gegenseitig ab. Während sie sich gegenseitig weiter wegdrücken, werden sie durch ein maßgeschneidertes elektrisches Feld wieder zusammengedrückt. Diese beiden Kräfte gleichen sich gegenseitig aus und sorgen dafür, dass die Ionen in einer einzigen Linie bleiben. Wissenschaftler nutzen die inhärente Abstoßung, um Ion-zu-Ion-Wechselwirkungen zu erzeugen, die für die Simulation wechselwirkender Quantenmaterie unerlässlich sind.

Der Laserpuls steuert alle Qubits und versetzt sie in denselben Zustand, um mit der Quantensimulation zu beginnen. Ein weiterer Satz Laserstrahlen interagiert dann mit den atomaren Qubits und lässt sie wie winzige Magnete wirken. Jetzt können Qubits entweder in eine zufällige Richtung zeigen, was zu keiner Magnetisierung führt, oder ihre Pole an ihren Nachbarn ausrichten, um einen Ferromagneten zu erzeugen. Wissenschaftler können die Stärken des Strahls verändern und analysieren, welche Phase sich unter verschiedenen Laserbedingungen durchsetzt.

Referenz:  University of Maryland | Natur | DOI:10.1038/nature24654

Die gesamte Simulation dauert nur wenige Millisekunden. Durch mehrmaliges Wiederholen dieses Vorgangs und die Analyse der Endzustände an verschiedenen Stellen können Wissenschaftler den Prozess von Anfang bis Ende beobachten. Es würde helfen zu verstehen, wie sich Qubit-Magnete in verschiedenen Phasen organisieren.

Künstlerzeichnung von Lasermanipulationen atomarer Qubits | Bildnachweis:E. Edwards/JQI

Das Forschungsteam wandte eine Wechselwirkung über große Entfernungen mit kontrollierbarer Reichweite und Stärke an und berechnete jedes Qubit mit einer Effizienz von etwa 99 Prozent. Dies bedeutet, dass viele Körperkorrelationen zwischen Qubits auf einmal berechnet werden konnten, was es ermöglichte, den dynamischen Phasenübergang direkt zu untersuchen und hartnäckige Merkmale aufzudecken, die auf hoher Konnektivität und Wechselwirkungen über große Entfernungen zwischen Qubits beruhen.

Obwohl der Simulator für die Untersuchung magnetischer Materie geeignet ist, erfordern verschiedene Arten von Berechnungen eine allgemeinere Quantenmaschine mit programmierbaren Wechselwirkungen, um effektiv zu funktionieren.

Was kommt als nächstes?

Solche Quantensimulatoren würden Wissenschaftlern helfen, Quantenschaltkreise zu implementieren und letztendlich mehrere Quantenketten miteinander zu verbinden, um einen vollständigen Quantencomputer mit einem breiten Anwendungsspektrum zu entwickeln.

Lesen Sie:10+ interessanteste Fakten über Quantencomputer

Das Forscherteam behauptet, bald in der Lage zu sein, bis zu 100 Ionen-Qubits oder mehr zu steuern. An diesem Punkt können sie möglicherweise noch schwierigere Probleme im Materialdesign und in der Quantenchemie untersuchen. D-Wave hingegen behauptet, 2.000 Qubits auf einem Chip zu produzieren.

Im Gegensatz dazu nutzen Intel, Google und IBM supraleitende elektronische Schaltkreise, um ihre eigenen Quantencomputer zu bauen.