Tim fizičara s Harvard-MIT-ovog Centra za ultrahladne atome i drugih sveučilišta razvio je posebnu vrstu kvantnog računala poznatog kao programabilni kvantni simulator sposoban za rad s 256 kvantnih bitova ili "kubita".

"Ovdje dosad nitko nije bio"

Sustav označava glavni korak prema izgradnji kvantnih strojeva velikih razmjera koji bi se mogli koristiti za rasvjetljavanje mnoštva složenih kvantnih procesa i na kraju pomoći u stvarnim probojima u znanosti o materijalima, komunikacijskim tehnologijama, financijama i mnogim drugim poljima, svladavanje istraživačkih zapreka koje su izvan mogućnosti čak i najbržih superračunala danas.

Kubiti su temeljni građevni blokovi na kojima rade kvantna računala i izvor njihove ogromne procesorske snage.

"Ovo premješta polje u novu domenu u kojoj do sada nitko nikada nije bio", rekao je profesor Mihail Lukin, jedan od direktora Harvardove kvantne inicijative i autora studije objavljene u časopisu Nature. "Ulazimo u potpuno novi dio kvantnog svijeta."

Egzotična kvantna stanja

Takva kombinacija veličine i programabilnosti dosad još nije viđena, što ovaj sustav stavlja na vodeću poziciju utrke za kvantnim računalom.

"Broj kvantnih stanja koji su mogući sa samo 256 kubita premašuje broj atoma u Sunčevom sustavu", objašnjava glavni autor studije Sepehr Ebadi.

Simulator je omogućio istraživačima da promatraju nekoliko egzotičnih kvantnih stanja materije koja nikada prije nisu bila eksperimentalno realizirana te da prouče kvantni fazni prijelaz, toliko precizan da služi kao udžbenički primjer kako magnetizam djeluje na kvantnoj razini.

Ovi eksperimenti pružaju snažan uvid u kvantnu fiziku i mogu pomoći znanstvenicima da izrade nove materijale egzotičnih svojstava.

Dvodimenzionalni nizovi optičkih pinceta

Projekt koristi značajno nadograđenu verziju platforme razvijene 2017. godine, koja je mogla doseći veličinu od 51 kubita. Taj stariji sustav omogućio je istraživačima hvatanje ultrahladnih atoma rubidija i njihovo raspoređivanje u određenom redoslijedu pomoću jednodimenzionalnog niza pojedinačno fokusiranih laserskih zraka nazvanih optička pinceta.

Ovaj novi sustav omogućuje sastavljanje atoma u dvodimenzionalne nizove optičkih pinceta. To povećava dostižnu veličinu sustava s 51 na 256 qubita. Korištenjem pinceta istraživači mogu rasporediti atome u uzorcima bez grešaka i stvoriti programabilne oblike poput kvadratnih ili trokutastih rešetki kako bi stvorili različite interakcije između kubita.

Modulator prostornog svjetla

"U središtu platforme nalazi se uređaj nazvan modulator prostornog svjetla, koji se koristi za oblikovanje optičke valne fronte za proizvodnju stotina pojedinačno fokusiranih snopova pinceta", otkriva Ebadi. "Ovi su uređaji u osnovi isti kao i oni koji se koriste unutar računalnog projektora za prikaz slika na ekranu, ali mi smo ih prilagodili da budu kritična komponenta našeg kvantnog simulatora."

Početno učitavanje atoma u optičku pincetu je slučajno, a istraživači moraju pomicati atome kako bi ih rasporedili u ciljane geometrije. Istraživači koriste drugi set pomične optičke pincete za povlačenje atoma na njihova željena mjesta, uklanjajući početnu slučajnost. Laseri pružaju istraživačima potpunu kontrolu nad položajem atomskih kubita i njihovom koherentnom kvantnom manipulacijom.

Poboljšana kontrola kubita

Istraživači trenutno rade na poboljšanoj laserskoj kontroli kubita, kako bi sustav bio programabilniji. Istovremeno istražuju načine na koje bi se sustav mogao koristiti, od sondiranja egzotičnih oblika kvantne materije do rješavanja izazovnih problema iz stvarnog svijeta koji se prirodno mogu kodirati na kubitima.

"Nismo ni blizu granica onoga što se može učiniti s tim sustavima", kaže Ebadi.