Komputer kuantum akan membutuhkan sejumlah besar qubit untuk mengatasi masalah yang menantang dalam fisika, kimia, dan seterusnya. Tidak seperti bit klasik, qubit dapat ada di dua negara sekaligus fenomena yang disebut superposisi. Keunikan fisika kuantum ini memberi komputer kuantum potensi untuk melakukan perhitungan kompleks tertentu lebih baik daripada rekan -rekan klasiknya, tetapi itu juga berarti qubit rapuh. Untuk mengkompensasi, para peneliti membangun komputer kuantum dengan qubit ekstra, redundan untuk memperbaiki kesalahan. Itulah sebabnya komputer kuantum yang kuat akan membutuhkan ratusan ribu qubit.
Sekarang, dalam langkah menuju visi ini, fisikawan Caltech telah menciptakan array qubit terbesar yang pernah dirakit: 6.100 qubit atom netral yang terperangkap dalam kisi oleh laser. Array sebelumnya semacam ini hanya berisi ratusan qubit.
Tonggak sejarah ini muncul di tengah perlombaan yang berkembang pesat untuk meningkatkan komputer kuantum. Ada beberapa pendekatan dalam pengembangan, termasuk yang didasarkan pada sirkuit superkonduktor, ion yang terperangkap, dan atom netral, seperti yang digunakan dalam studi baru.
“Ini adalah momen yang menyenangkan untuk komputasi kuantum atom netral,” kata Manuel Endres, Profesor Fisika di Caltech. “Kita sekarang dapat melihat jalur menuju komputer kuantum yang dikoreksi kesalahan besar. Blok bangunan sudah ada.” Endres adalah penyelidik utama penelitian. Tiga mahasiswa pascasarjana Caltech memimpin penelitian: Hannah Manetsch, Gyohei Nomura, dan Elie Bataille.
Tim ini menggunakan pinset optik yang sangat terfokus pada balok laser untuk menjebak ribuan atom cesium individu dalam grid. Untuk membangun berbagai atom, para peneliti membagi balok laser menjadi 12.000 pinset, yang bersama -sama menampung 6.100 atom di ruang vakum. “Di layar, kita benar -benar dapat melihat setiap qubit sebagai titik cahaya,” kata Manetsch. “Ini adalah gambar yang mencolok dari perangkat keras kuantum dalam skala besar.”
Pencapaian utama menunjukkan bahwa skala yang lebih besar ini tidak mengorbankan kualitas. Bahkan dengan lebih dari 6.000 qubit dalam satu array, tim menyimpannya di superposisi selama sekitar 13 detik 10 kali lebih lama dari yang mungkin terjadi pada array yang sama-sama sebelumnya yang memanipulasi qubit individu dengan akurasi 99,98 persen. “Skala besar, dengan lebih banyak atom, sering dianggap mengorbankan keakuratan, tetapi hasil kami menunjukkan bahwa kami dapat melakukan keduanya,” kata Nomura. “Qubit tidak berguna tanpa kualitas. Sekarang kita memiliki kuantitas dan kualitas.”
Tim juga menunjukkan bahwa mereka dapat memindahkan atom ratusan mikrometer melintasi array sambil mempertahankan superposisi. Kemampuan untuk shuttle qubit adalah fitur utama dari komputer kuantum atom netral yang memungkinkan koreksi kesalahan yang lebih efisien dibandingkan dengan platform tradisional dan kabel seperti qubit superkonduktor.
Manetsch membandingkan tugas memindahkan atom individu sambil menjaganya dalam keadaan superposisi untuk menyeimbangkan segelas air saat berlari. “Mencoba memegang atom saat bergerak seperti berusaha untuk tidak membiarkan gelas air ujung. Mencoba juga menjaga atom dalam keadaan superposisi seperti berhati -hati untuk tidak berlari begitu cepat sehingga air menyala,” katanya.
Tonggak penting berikutnya untuk lapangan adalah menerapkan koreksi kesalahan kuantum pada skala ribuan qubit fisik, dan pekerjaan ini menunjukkan bahwa atom netral adalah kandidat yang kuat untuk sampai di sana. “Komputer kuantum harus menyandikan informasi dengan cara yang toleran terhadap kesalahan, sehingga kami benar -benar dapat melakukan perhitungan nilai,” kata Bataille. “Tidak seperti di komputer klasik, qubit tidak bisa begitu saja disalin karena apa yang disebut teorema yang tidak mengikat, sehingga koreksi kesalahan harus bergantung pada strategi yang lebih halus.”
Ke depan, para peneliti berencana untuk menghubungkan qubit dalam array mereka bersama dalam keadaan keterikatan, di mana partikel berkorelasi dan berperilaku sebagai satu. Keterikatan adalah langkah penting bagi komputer kuantum untuk bergerak melampaui hanya menyimpan informasi di superposisi; Keterikatan akan memungkinkan mereka untuk mulai melakukan perhitungan kuantum penuh. Ini juga yang memberi komputer kuantum kekuatan tertinggi-kemampuan untuk mensimulasikan alam itu sendiri, di mana keterikatan membentuk perilaku materi di setiap skala. Tujuannya jelas: untuk memanfaatkan keterikatan untuk membuka kunci penemuan ilmiah baru, dari mengungkapkan fase materi baru hingga membimbing desain bahan baru dan memodelkan bidang kuantum yang mengatur ruang-waktu.
“Sangat menyenangkan bahwa kami membuat mesin untuk membantu kami belajar tentang alam semesta dengan cara yang hanya dapat diajarkan oleh mekanika kuantum,” kata Manetsch.
Studi baru, “A Tweezer Array dengan 6100 qubit atom yang sangat koheren,” didanai oleh Gordon dan Betty Moore Foundation, Weston Havens Foundation, National Science Foundation melalui Program Fellowship Penelitian Pascasarjana dan Institute for Quantum Information and Matter (IQIM) di Caltech, Tentara Penelitian Penelitian Offi, Departemen Puncak USnya (IQIM -nya di Caltech, The Army Research offi, Departemen Puncak US Fores (IQIM) di Caltech, Tentara Penelitian Angkatan Darat offi, Air Departemen Air. Office untuk penelitian ilmiah, yayasan Heising-Simons, dan persekutuan postdoctoral kuantum AWS. Penulis lain termasuk Caltech's Kon H. Leung, AWS Quantum Senior Postdoctoral Scholar Research Associate in Physics, serta mantan sarjana postdoctoral Caltech Xudong LV, sekarang di Akademi Ilmu Pengetahuan Cina.
Tautan terkait
Mengontrol Gerakan Kuantum dan Hyper-Entanslemling Cara baru untuk menghapus kesalahan komputer kuantum inovasi kuantum dicapai dengan menggunakan atom alkali-bumi
