Físicos liderados por Harvard hacia la computación cuántica
Físicos liderados por Harvard dan un gran paso en la carrera hacia la computación cuántica
El equipo desarrolla un simulador con 256 qubits, el más grande de su tipo jamás creado
Un equipo de físicos del Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms y otras universidades ha desarrollado un tipo especial de computadora cuántica conocida como un simulador cuántico programable capaz de operar con 256 bits cuánticos, o «qubits».
El sistema marca un paso importante hacia la construcción de máquinas cuánticas a gran escala que podrían usarse para arrojar luz sobre una serie de procesos cuánticos complejos y eventualmente ayudar a lograr avances en el mundo real en ciencia de materiales, tecnologías de la comunicación, finanzas y muchos otros campos. superando los obstáculos de la investigación que están más allá de las capacidades de las supercomputadoras más rápidas de la actualidad. Los qubits son los bloques de construcción fundamentales sobre los que funcionan las computadoras cuánticas y la fuente de su poder de procesamiento masivo.
«Esto mueve el campo a un nuevo dominio en el que nadie ha estado hasta ahora», dijo Mikhail Lukin , profesor de física George Vasmer Leverett, codirector de la Harvard Quantum Initiative y uno de los autores principales del estudio. publicado hoy en la revista Nature. «Estamos entrando en una parte completamente nueva del mundo cuántico».
Físicos liderados por Harvard hacia la computación cuántica
Según Sepehr Ebadi, estudiante de física de la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias y autor principal del estudio, es la combinación del tamaño y la capacidad de programación sin precedentes del sistema lo que lo coloca a la vanguardia de la carrera por una computadora cuántica, que aprovecha el misteriosas propiedades de la materia a escalas extremadamente pequeñas para mejorar enormemente la potencia de procesamiento. En las circunstancias adecuadas, el aumento de qubits significa que el sistema puede almacenar y procesar exponencialmente más información que los bits clásicos en los que se ejecutan las computadoras estándar.
«El número de estados cuánticos que son posibles con sólo 256 qubits excede el número de átomos en el sistema solar», dijo Ebadi, explicando el gran tamaño del sistema.
El simulador ya ha permitido a los investigadores observar varios estados cuánticos exóticos de la materia que nunca antes se habían realizado experimentalmente, y realizar un estudio de transición de fase cuántica tan preciso que sirve como ejemplo de libro de texto de cómo funciona el magnetismo a nivel cuántico.
Estos experimentos proporcionan información valiosa sobre la física cuántica que subyace a las propiedades de los materiales y pueden ayudar a mostrar a los científicos cómo diseñar nuevos materiales con propiedades exóticas.
El proyecto utiliza una versión significativamente mejorada de una plataforma que los investigadores desarrollaron en 2017, que fue capaz de alcanzar un tamaño de 51 qubits. Ese sistema más antiguo permitió a los investigadores capturar átomos de rubidio ultrafríos y organizarlos en un orden específico utilizando una matriz unidimensional de rayos láser enfocados individualmente llamados pinzas ópticas.
Este nuevo sistema permite ensamblar los átomos en matrices bidimensionales de pinzas ópticas. Esto aumenta el tamaño alcanzable del sistema de 51 a 256 qubits. Con las pinzas, los investigadores pueden organizar los átomos en patrones sin defectos y crear formas programables como celosías cuadradas, en forma de panal o triangulares para diseñar diferentes interacciones entre los qubits.
“El caballo de batalla de esta nueva plataforma es un dispositivo llamado modulador de luz espacial, que se utiliza para dar forma a un frente de onda óptico para producir cientos de haces de pinzas ópticas enfocadas individualmente”, dijo Ebadi. «Estos dispositivos son esencialmente los mismos que se usan dentro de un proyector de computadora para mostrar imágenes en una pantalla, pero los hemos adaptado para que sean un componente crítico de nuestro simulador cuántico».
La carga inicial de los átomos en las pinzas ópticas es aleatoria, y los investigadores deben mover los átomos para colocarlos en sus geometrías objetivo. Los investigadores utilizan un segundo juego de pinzas ópticas móviles para arrastrar los átomos a sus ubicaciones deseadas, eliminando la aleatoriedad inicial. Los láseres les dan a los investigadores un control completo sobre el posicionamiento de los qubits atómicos y su manipulación cuántica coherente.
Los investigadores pueden utilizar pinzas ópticas para colocar átomos individualmente enfriados por láser en geometrías programables. Se muestran imágenes de fluorescencia de átomos individuales después de la reorganización en escudos de Harvard.
Cortesía del grupo Lukin
Otros autores principales del estudio incluyen a los profesores de Harvard Subir Sachdev y Markus Greiner , que trabajaron en el proyecto junto con el profesor del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Vladan Vuletić, y científicos de Stanford, la Universidad de California Berkeley, la Universidad de Innsbruck en Austria, Austria. Academy of Sciences y QuEra Computing Inc. en Boston.
«Nuestro trabajo es parte de una carrera global realmente intensa y de alta visibilidad para construir computadoras cuánticas más grandes y mejores», dijo Tout Wang, investigador asociado en física en Harvard y uno de los autores del artículo. «El esfuerzo general [más allá del nuestro] tiene las principales instituciones de investigación académica involucradas y una importante inversión del sector privado de Google, IBM, Amazon y muchos otros».
Los investigadores están trabajando actualmente para mejorar el sistema mejorando el control del láser sobre los qubits y haciendo que el sistema sea más programable. También están explorando activamente cómo se puede usar el sistema para nuevas aplicaciones, que van desde sondear formas exóticas de materia cuántica hasta resolver desafiantes problemas del mundo real que pueden codificarse naturalmente en los qubits.
«Este trabajo permite una gran cantidad de nuevas direcciones científicas», dijo Ebadi. «No estamos ni cerca de los límites de lo que se puede hacer con estos sistemas».
Este trabajo fue apoyado por el Centro de Átomos Ultrafríos, la Fundación Nacional de Ciencias, la Beca de la Facultad Vannevar Bush, el Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Oficina de Investigación Naval, la Oficina de Investigación del Ejército MURI y el programa DARPA ONISQ.
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