Revelado o simulador quântico de 53 Qubit que quebra recordes

• Os físicos construíram 53 ímãs quânticos interativos, tornando possível a configuração de quatrilhões de ímãs.
• É um computador quântico de tipo restrito que usa qubits atômicos para imitar matéria quântica complicada.
• Eles mediram cada qubit com uma eficiência de cerca de 99%.

Físicos da Universidade de Maryland e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia usaram 53 qubits atômicos interativos para imitar a matéria quântica magnética, estabelecendo um novo recorde. É a maior simulação quântica já conduzida com medição única de alta eficiência de qubits individuais.

Eles usaram até 53 íons de itérbio, que são átomos alterados presos por eletrodos afiados revestidos de ouro. Um sistema complementar desenvolvido por cientistas do MIT e de Harvard utiliza 51 átomos de rubídio confinados por raios laser. Essa plataforma experimental poderia ser estendida para resolver problemas quânticos difíceis (como amostragem de Ising) que estão muito além dos limites do supercomputador moderno mais rápido.

Simulações com números menores de qubits de íons aprisionados já foram demonstradas, e agora com maior nível de controle sobre a interação entre spin, este sistema pode ser atualizado para um computador quântico universal.

Todos os qubits de íons são relógios atômicos estáveis, que podem ser facilmente replicados. Feixes de laser externos são usados ​​para uni-los de forma eficiente, o que significa que o mesmo dispositivo pode ser reconfigurado sem perturbar as configurações internas. Isso é feito para adaptar qualquer tipo de aplicativo de computação quântica que surgir no futuro. Vamos descobrir o que eles realmente desenvolveram e como isso é benéfico.

O que são exatamente Simuladores Quânticos?

Os sistemas quânticos são difíceis de estudar em laboratório e quase impossíveis de modelar usando um supercomputador, é por isso que usamos um simulador quântico para estudar os padrões e recursos da computação quântica. Eles são especialmente desenvolvidos para fornecer detalhes de certos problemas de física.



A técnica para simular um sistema quântico com múltiplas partículas requer tempo exponencial em um computador convencional. No entanto, podemos simulá-lo através de um computador quântico usando vários bits quânticos semelhantes ao número de partículas do sistema original. Isso foi estendido a uma ampla gama de categorias de sistemas quânticos.

Até o momento, simuladores quânticos foram realizados em inúmeras plataformas, como íons aprisionados, circuitos supercondutores, gases quânticos ultrafrios e sistemas fotônicos.

Usando hardware quântico para problemas quânticos

O supercomputador moderno não consegue lidar com mais de 20 objetos quânticos em interação. Esse é o caso do magnetismo quântico, onde as interações poderiam levar ao alinhamento magnético em escala quântica.

Os problemas quânticos são normalmente difíceis porque cada ímã interage com todos os outros ímãs do sistema. O simulador que os físicos desenvolveram possui 53 ímãs quânticos interativos, tornando possível a configuração de quatrilhões de ímãs. Este número dobra com a adição de cada ímã.

É um tipo restrito de computador quântico que usa qubits para imitar matéria quântica complicada. Qubits podem ser isolados e podem estar em dois ou mais estados ao mesmo tempo. Eles vêm em várias formas e a escolha preferida para a construção de qubits são os átomos, que são o bloco de construção versátil de todos os assuntos. Nos últimos anos, os físicos obtiveram um enorme sucesso no controle de até 20 qubits em simulações quânticas de pequena escala.

Por que usar átomos?

Para proteger a natureza quântica do dispositivo, os qubits devem permanecer isolados do ambiente. A proteção fica mais difícil com a adição de cada qubit, principalmente se eles não forem idênticos desde o início, como em circuitos fabricados. Esta é uma das principais razões pelas quais os átomos são a escolha preferida para qubits. Com átomos, a maquinaria quântica poderia ser facilmente ampliada em comparação com circuitos fabricados.

Ao contrário do computador atual, os qubits atômicos são armazenados dentro de uma câmara de vácuo em temperatura ambiente, o que mantém sua pressão muito semelhante à do espaço sideral. O isolamento dos qubits permite que os físicos controlem com precisão os qubits atômicos com lasers especiais, espelhos, fibras ópticas, lentes e circuitos elétricos.
Atualmente, a maioria das empresas gigantes da tecnologia, universidades e até startups estão se concentrando no desenvolvimento de protótipos de máquinas quânticas que possam controlar um grande número de qubits.

Simulador de 53 Qubits

Todos os qubits atômicos têm a mesma carga elétrica, portanto se repelem. À medida que se afastam, um campo elétrico personalizado os força a se unirem novamente. Essas duas forças se equilibram, fazendo com que os íons permaneçam em uma única linha. Os cientistas utilizam a repulsão inerente para gerar interações íon a íon, que são essenciais para simular a interação da matéria quântica.

O pulso de laser controla todos os qubits e os coloca no mesmo estado para iniciar a simulação quântica. Outro conjunto de feixes de laser interage com os qubits atômicos, fazendo-os agir como pequenos ímãs. Agora, os qubits podem apontar em uma direção aleatória, resultando em nenhuma magnetização, ou alinhar seus pólos com seus vizinhos para criar um ferromagneto. Os cientistas podem alterar a intensidade do feixe e analisar qual fase vence sob inúmeras condições de laser.

Referência:  Universidade de Maryland | Natureza | DOI:10.1038/nature24654

Leva apenas alguns milissegundos para que toda a simulação ocorra. Ao repetir este processo várias vezes e analisar os estados finais em diferentes pontos, os cientistas podem observar o processo à medida que se desenrola do início ao fim. Ajudaria a entender como os ímãs qubit se organizam de acordo com as diferentes fases.

Artistas desenhando qubits atômicos manipulando laser | Crédito:E. Edwards/JQI

A equipe de pesquisa aplicou uma interação de longo alcance com alcance e força controláveis, e calculou cada qubit com uma eficiência de cerca de 99 por cento, o que significa que muitas correlações corporais entre qubits poderiam ser computadas de uma só vez, permitindo que a transição de fase dinâmica sondasse diretamente e revelasse recursos intratáveis ​​que dependem de alta conectividade e interações de longo alcance entre qubits.

Embora o simulador seja apropriado para sondar matéria magnética, diferentes tipos de cálculos requerem uma máquina quântica mais geral com interações programáveis para um desempenho eficaz.

O que vem a seguir?

Esses tipos de simuladores quânticos ajudariam os cientistas a implementar circuitos quânticos e, em última análise, a conectar múltiplas cadeias de íons para desenvolver um computador quântico completo com uma ampla gama de aplicações.

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A equipe de pesquisa afirma que em breve eles serão capazes de controlar até 100 qubits de íons ou mais. Nesse ponto, eles podem potencialmente explorar problemas ainda mais difíceis no design de materiais e na química quântica. A D-Wave, por outro lado, afirma estar produzindo 2.000 qubits em um chip.

Em contraste, Intel, Google e IBM empregam circuitos eletrônicos supercondutores para construir seus próprios computadores quânticos.