Прорыв был достигнут под руководством Дуаня Люмина, квантового физика, известного своими новаторскими исследованиями, который вернулся в Китай в 2018 году после 15 лет преподавания в США.
Дуань получил докторскую степень в 1998 году в Университете науки и технологий Китая, ведущем в стране институте квантовых исследований, а затем поступил в Мичиганский университет в начале 2000-х годов.
После своего возвращения он работал штатным профессором в Институте междисциплинарных информационных наук Университета Цинхуа.
Дуан и его коллеги, а также несколько исследовательских групп в университетах и высокотехнологичных компаниях по всему миру изучают подход к кубитам, основанный на захваченных ионах.
Квантовые биты, или кубиты, являются строительными блоками квантовых компьютеров, точно так же, как «биты» используются в обычных компьютерах.
Однако кубиты чрезвычайно сложно использовать контролируемым и повторяемым образом из-за их неясной природы.
Обычные биты можно описать как переключатели, которые либо включены, либо выключены. Но поскольку в квантовой физике господствуют неопределенность и вероятность, кубиты могут быть как включенными, так и выключенными одновременно, а также существовать в различных промежуточных состояниях.
Ионы, или заряженные атомные частицы, можно захватывать и подвешивать в свободном пространстве с помощью электромагнитных полей. Кубиты хранятся в стабильных электронных состояниях каждого иона, а квантовая информация может передаваться посредством коллективного движения ионов в общей ловушке.
Но масштабируемость остается ключевой проблемой для этой системы.
Именно здесь на помощь приходит подход с захваченными ионами, поскольку он предлагает одну из наиболее многообещающих архитектур масштабируемого универсального квантового компьютера.
Ранее исследователи провели квантовое моделирование, в котором содержится до 61 иона в одномерном кристалле. Ионные кристаллы — это твердые тела, состоящие из ионов, связанных вместе в правильную «решетку» — симметричное трехмерное структурное расположение атомов, ионов или молекул внутри твердого тела.
Но квантовый симулятор Дуана и его команды впервые в науке смог добиться стабильного захвата и охлаждения двумерного кристалла, содержащего до 512 ионов.
Этот подвиг имеет большое значение для будущего квантовых вычислений, учитывая, что масштабируемость является серьезным препятствием. Масштабирование ионов в стабильной системе моделирования, скорее всего, проложит путь к созданию более мощных квантовых компьютеров.
Результаты их исследования были опубликованы в среду в рецензируемом журнале Nature.
Это «крупнейшее квантовое моделирование или вычисление, выполненное на сегодняшний день в системе с захваченными ионами», — прокомментировал один рецензент.
Квантовые симуляторы — это устройства, которые активно используют квантовые эффекты для ответа на вопросы о модельных системах и, через них, о реальных системах. Они становятся все более популярными инструментами в мире квантовых вычислений из-за их роли в развитии научных знаний и разработке технологий.
Дуаню и его команде также удалось выполнить расчет квантового моделирования с использованием 300-ионных кубитов. Они обнаружили, что вычислительная сложность одновременно работающих 300-ионных квантовых битов астрономическая, намного превосходящая возможности прямого моделирования классических компьютеров.
