L’équipe développe un simulateur avec 256 qubits, le plus grand du genre jamais créé –

Le système marque une étape majeure vers la construction de machines quantiques à grande échelle qui pourraient être utilisées pour faire la lumière sur une multitude de processus quantiques complexes et éventuellement aider à réaliser des percées dans le monde réel dans les domaines de la science des matériaux, des technologies de la communication, de la finance et de nombreux autres domaines. surmonter les obstacles de la recherche qui dépassent les capacités des supercalculateurs les plus rapides d’aujourd’hui. Les qubits sont les blocs de construction fondamentaux sur lesquels fonctionnent les ordinateurs quantiques et la source de leur énorme puissance de traitement.

“Cela déplace le domaine dans un nouveau domaine où personne n’est jamais allé jusqu’à présent”, a déclaré Mikhail Lukin, professeur de physique George Vasmer Leverett, codirecteur de la Harvard Quantum Initiative et l’un des auteurs principaux de l’étude. publié aujourd’hui dans la revue Nature. “Nous entrons dans une toute nouvelle partie du monde quantique.”

Selon Sepehr Ebadi, étudiant en physique à la Graduate School of Arts and Sciences et auteur principal de l’étude, c’est la combinaison de la taille et de la programmabilité sans précédent du système qui le place à la pointe de la course à un ordinateur quantique, qui exploite les propriétés mystérieuses de la matière à des échelles extrêmement petites pour faire progresser considérablement la puissance de traitement. Dans les bonnes circonstances, l’augmentation des qubits signifie que le système peut stocker et traiter de manière exponentielle plus d’informations que les bits classiques sur lesquels fonctionnent les ordinateurs standard.

“Le nombre d’états quantiques possibles avec seulement 256 qubits dépasse le nombre d’atomes du système solaire”, a déclaré Ebadi, expliquant la grande taille du système.

Déjà, le simulateur a permis aux chercheurs d’observer plusieurs états quantiques exotiques de la matière qui n’avaient jamais été réalisés expérimentalement auparavant, et d’effectuer une étude de transition de phase quantique si précise qu’elle sert d’exemple classique du fonctionnement du magnétisme au niveau quantique.

Ces expériences fournissent des informations puissantes sur la physique quantique sous-jacente aux propriétés des matériaux et peuvent aider à montrer aux scientifiques comment concevoir de nouveaux matériaux aux propriétés exotiques.

Le projet utilise une version considérablement améliorée d’une plate-forme développée par les chercheurs en 2017, capable d’atteindre une taille de 51 qubits. Cet ancien système a permis aux chercheurs de capturer des atomes de rubidium ultra-froids et de les disposer dans un ordre spécifique à l’aide d’un réseau unidimensionnel de faisceaux laser focalisés individuellement appelés pinces optiques.

Ce nouveau système permet d’assembler les atomes dans des réseaux bidimensionnels de pinces optiques. Cela augmente la taille du système réalisable de 51 à 256 qubits. À l’aide de la pince à épiler, les chercheurs peuvent organiser les atomes dans des motifs sans défaut et créer des formes programmables comme des réseaux carrés, en nid d’abeille ou triangulaires pour concevoir différentes interactions entre les qubits.

“Le cheval de bataille de cette nouvelle plate-forme est un dispositif appelé modulateur spatial de lumière, qui est utilisé pour façonner un front d’onde optique afin de produire des centaines de faisceaux optiques de pincettes focalisés individuellement”, a déclaré Ebadi. “Ces appareils sont essentiellement les mêmes que ceux utilisés à l’intérieur d’un projecteur d’ordinateur pour afficher des images sur un écran, mais nous les avons adaptés pour qu’ils deviennent un composant essentiel de notre simulateur quantique.”

Le chargement initial des atomes dans la pince à épiler optique est aléatoire et les chercheurs doivent déplacer les atomes pour les disposer dans leurs géométries cibles. Les chercheurs utilisent un deuxième jeu de pincettes optiques mobiles pour faire glisser les atomes vers les emplacements souhaités, éliminant ainsi le caractère aléatoire initial. Les lasers donnent aux chercheurs un contrôle total sur le positionnement des qubits atomiques et leur manipulation quantique cohérente.

Les autres auteurs principaux de l’étude comprennent les professeurs de Harvard Subir Sachdev et Markus Greiner, qui ont travaillé sur le projet avec le professeur Vladan Vuleti? du Massachusetts Institute of Technology, et des scientifiques de Stanford, de l’Université de Californie à Berkeley, de l’Université d’Innsbruck en Autriche, du Académie autrichienne des sciences et QuEra Computing Inc. à Boston.

“Notre travail fait partie d’une course mondiale très intense et à haute visibilité pour construire des ordinateurs quantiques plus grands et meilleurs”, a déclaré Tout Wang, chercheur associé en physique à Harvard et l’un des auteurs de l’article. « L’effort global [beyond our own] a des institutions de recherche universitaires de premier plan impliquées et des investissements majeurs du secteur privé de Google, IBM, Amazon et bien d’autres.”

Les chercheurs travaillent actuellement à améliorer le système en améliorant le contrôle laser sur les qubits et en rendant le système plus programmable. Ils explorent également activement comment le système peut être utilisé pour de nouvelles applications, allant de l’exploration de formes exotiques de matière quantique à la résolution de problèmes difficiles du monde réel qui peuvent être naturellement codés sur les qubits.

“Ce travail permet un grand nombre de nouvelles directions scientifiques”, a déclaré Ebadi. “Nous sommes loin des limites de ce qui peut être fait avec ces systèmes.”

Ce travail a été soutenu par le Center for Ultracold Atoms, la National Science Foundation, la Vannevar Bush Faculty Fellowship, le US Department of Energy, l’Office of Naval Research, l’Army Research Office MURI et le programme DARPA ONISQ.