Percée dans l’informatique quantique Harvard University – MIT – « Nous entrons dans une toute nouvelle partie du monde quantique »

L’équipe développe un simulateur de 256 qubits, le plus grand du genre à ce jour.

Une équipe de physiciens du Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms et d’autres universités a développé un type spécial d’ordinateur quantique connu sous le nom de simulateur quantique programmable capable de fonctionner avec 256 bits quantiques, ou « qubits ».

Le système représente une étape majeure vers la construction de machines quantiques à grande échelle qui peuvent être utilisées pour faire la lumière sur une gamme de processus quantiques complexes et finalement 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, en surmontant rechercher des obstacles qui dépassent les capacités des appareils les plus rapides. Le superordinateur d’aujourd’hui. Les qubits sont les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques et la source de leur énorme puissance de traitement.

« Cela déplace ce domaine dans un nouveau domaine que personne n’a encore abordé », a déclaré Mikhail Lukin, professeur de physique à George Vasmer Levert, codirecteur de la Harvard Quantum Initiative et l’un des auteurs principaux de l’étude. Publié le 7 juillet 2021 dans le magazine nature. « Nous entrons dans une toute nouvelle partie du monde quantique. »

Dolev Bluvstein (de gauche à droite), Mikhail Lukin et Sepehr Ebadi ont développé un type spécial d’ordinateur quantique connu sous le nom de simulateur quantique programmable. Abadi aligne un appareil qui leur permet de créer des pincettes optiques programmables. Crédit : Rose Lincoln/photographe de Harvard

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

« Le nombre d’états quantiques possibles en utilisant seulement 256 qubits dépasse le nombre d’atomes dans le système solaire », a déclaré Ebadi, expliquant la taille massive du système.

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

En les organisant dans des cadres séquentiels et en prenant des photos d’atomes isolés, les chercheurs peuvent même se moquer des vidéos d’atomes. Crédit : Avec l’aimable autorisation du groupe Lukin.

Ces expériences fournissent des informations puissantes sur les propriétés des matériaux inhérentes à la physique quantique et pourraient aider les scientifiques à montrer comment concevoir de nouveaux matériaux aux propriétés exotiques.

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

Ce nouveau système permet de regrouper les atomes en réseaux bidimensionnels à partir de pincettes optiques. Cela augmente la taille du système réalisable de 51 à 256 qubits. À l’aide de pinces à épiler, les chercheurs peuvent organiser les atomes selon des motifs impeccables et créer des formes programmables telles que des réseaux carrés, en nid d’abeille ou triangulaires pour concevoir différentes interactions entre les qubits.

Dolev Bluvstein regarde un laser de 420 mm qui lui permet de contrôler et d’enchevêtrer les atomes de Rydberg. Crédit : Université de Harvard

« L’épine dorsale de cette nouvelle plate-forme est un dispositif appelé transducteur de lumière spatiale, qui est utilisé pour former un front d’onde optique afin de produire des centaines de faisceaux optiques de pincettes focalisés individuellement », a déclaré Ebadi. « Ces appareils sont fondamentalement les mêmes que ceux utilisés à l’intérieur d’un écran d’ordinateur pour afficher des images sur un écran, mais nous les avons adaptés pour qu’ils deviennent un composant important de notre simulateur quantique. »

Le chargement initial des atomes dans les pincettes optiques est aléatoire et les chercheurs doivent déplacer les atomes pour les disposer dans les géométries cibles. Les chercheurs ont utilisé un deuxième jeu de pincettes optiques mobiles pour tirer les atomes dans les positions souhaitées, éliminant ainsi le caractère aléatoire initial. Le laser donne aux chercheurs un contrôle complet sur la localisation des qubits atomiques et leur manipulation quantique cohérente.

Les autres auteurs principaux de l’étude incluent les professeurs de Harvard Suber Sachdev et Markus Grenier, qui ont travaillé sur le projet aux côtés du professeur du MIT Vladan Voletich, et des scientifiques de Stanford, de l’UC Berkeley, de l’Université d’Innsbruck en Autriche et de l’Autriche. Académie des sciences et QuEra Computing Inc. En Boston.

« Notre travail fait partie d’une course mondiale vraiment intense et haute définition pour construire des ordinateurs quantiques plus grands et meilleurs », a déclaré Toot Wang, chercheur associé en physique à l’Université de Harvard et l’un des auteurs de l’article. « Effort général [beyond our own] Il dispose des meilleures institutions de recherche universitaires participantes et d’importants investissements du secteur privé de Google, IBM, Amazon et bien d’autres.

Les chercheurs travaillent actuellement à l’amélioration du système en améliorant le contrôle laser des qubits et en rendant le système plus programmable. Ils explorent également activement comment le système peut utiliser de nouvelles applications, de l’exploration des formes étranges de la matière quantique à la résolution de problèmes difficiles du monde réel qui peuvent être encodés naturellement sur des qubits.

« Ce travail ouvre un grand nombre de nouvelles directions scientifiques », a déclaré Ebadi. « Nous ne sommes pas proches des limites de ce qui peut être fait avec ces systèmes. »

Référence : « Quantum Phases of Matter on a 256-Atom Programmable Quantum Simulator » par Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rhin Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho, Sunon Choi, Subir Sachdev, Markus Greiner, Vladan Volich et Mikhail De Luken, le 7 juillet 2021, nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03582-4

Ce travail a été soutenu par l’Ultracold Atoms Center, la National Science Foundation, une bourse Vannevar Bush College, le département américain de l’Énergie, l’Office of Naval Research, le MURI Army Research Office et le programme DARPA ONISQ.