Команда из Массачусетса и Гарварда создала пинцет из лазеров, чтобы управлять 256 кубитами квантового симулятора.
Квантовый симулятор на 256 кубитов ученые представили в своей статье, которую опубликовал журнал Nature.
Четыре года назад эта же команда удивила мир квантовым симулятором на 51 кубит. Эта разработка и легла в основу ее нового изобретения.
Принципиально квантовый компьютер отличается от привычного всем компьютера одной вещью – носителем информации.
У обычного компьютера носителем информации выступает вентиль, который открывает и закрывает электрический ток. Вентиль открыт – компьютер получает сигнал в виде единицы. Вентиль закрыт – для компьютера этот сигнал означает цифру "ноль". Сегодня вентилями в обычном компьютере выступают транзисторы. Из них состоят интегральные микросхемы, которые управляют действиями компьютера.
Но электрический ток, протекая через микросхемы, сильно их нагревает, они требуют охлаждения. Поэтому мощные компьютеры потребляют много энергии и устроены очень сложно.
Ученые и инженеры еще с момента появления первой вычислительной машины – арифмометра – все время ищут все более совершенную конструкцию компьютера. Совершенный компьютер должен быть максимально маленьким, максимально быстрым и должен минимально расходовать энергию.
С эпохи настольного арифмометра, в котором надо вертеть ручку, чтобы сложить два числа, мы дошли до крошечных микропроцессоров, которые умещаются на запястье руки. Но нет предела совершенству.
С 1980-х годов ученые пытаются создать компьютер с носителем информации в виде элементарной частицы – самого маленького, самого быстрого и самого экономного объекта во Вселенной. Поскольку элементарные частицы живут по законам квантовой механики, то и такой компьютер назвали квантовым. А единицу информации квантового компьютера назвали кубитом (q-бит) от английского quantum bit. Напомним, что бит – это единица информации в обычном компьютере, у нее всего два значения – ноль и единица.
Создать квантовый компьютер трудно как минимум по двум причинам – надо научиться управлять его носителями информации (элементарными частицами) и надо найти способ считывать с него информацию. Ведь жизнь элементарных частиц глазами не увидишь.
Четыре года назад физики из Массачусетса и Гарварда создали в маленькой камере облако из свободных атомов рубидия и охладили его почти до абсолютного нуля. Затем они направили на атомное облако сто сфокусированных на нем лазеров, выстроенных в ряд. Сфокусированные лучи лазера могли захватывать атомы и перемещать их в нужном исследователям направлении. Перемещения атомов лазером можно было контролировать микроскопом.
Ученые научились собирать атомы в одномерный массив и назвали свое устройство управления атомами оптическим пинцетом.
Подаваемая в камеру энергия лазера возбуждала атомы рубидия, они начинали взаимодействовать между собой – самоорганизовывались.
Эту управляемую систему из атомов рубидия и оптического пинцета объемом в 51 кубит исследователи назвали квантовым симулятором и написали о ней в Nature в 2017 году.
Потом команда пошла дальше.
К одному набору ряду лазеров добавили второй.
Новая система позволила собирать атомы уже в двумерные массивы с помощью оптического пинцета. Это увеличило объем системы с 51 до 256 кубитов.
Исследователи получили возможность с помощью более совершенного оптического пинцета составлять узоры из атомов заданной формы. Им удалось выстраивать атомы в сетки из треугольников, квадратов и шестиугольников, чтобы испытывать различные взаимодействия между кубитами.
"Рабочей лошадкой новой платформы является пространственный модулятор света. Он используется для создания сотен индивидуально сфокусированных оптических пучков пинцета",– объясняет Сепер Эбади (Sepehr Ebadi), аспирант Гарвардского университета (Harvard University).– Это устройство о сути такое же, как то, что используются внутри компьютерного проектора, но мы адаптировали его, чтобы оно могло стать критически важным компонентом нашего квантового симулятора".
Технология американских ученых вплотную приблизила нас к созданию квантового компьютера. Ведь они научились управлять движением носителей информации – атомов рубидия. И нашли возможность наблюдать за результатом их движения.
"Это перемещает нас в новую область, где до сих пор никто никогда не был , – утверждает Михаил Лукин (Mikhail Lukin), один из главных авторов исследования. – Мы входим в совершенно новую часть квантового мира".
Сейчас исследователи совершенствуют лазерный контроль за кубитами, чтобы сделать систему более программируемой. Они активно думают, как использовать изобретение для новых приложений – от исследования экзотических форм квантовой материи до решения сложных реальных проблем, которые можно запрограммировать с помощью их 256 кубитов.
Интересно, что работа ученых была поддержана не только научными фондами США, но и Министерством энергетики США, Управлением военно-морских исследований, Управлением армейских исследований MURI и программой DARPA ONISQ.