Квантовый регистр достиг количества 1200 атомов в непрерывной работе

Группа физиков достигла значительного прогресса в масштабировании платформ квантовых вычислений с нейтральными атомами.

В ходе эксперимента, проведенного в Институте квантовой оптики имени Макса Планка в сотрудничестве с компанией MPQ planqc, исследователям удалось создать регистр из 1200 атомов в оптической решетке лазерного излучения и поддерживать его в непрерывном режиме в течение часа. До сих пор системы такого размера было сложно поддерживать из-за неизбежных потерь атомов.

Физикам удалось решить эту проблему, применив сложную технику, которая позволяет им последовательно загружать новые атомы в регистр кубита и, в принципе, эксплуатировать его в течение неопределенного периода времени.

Сегодня известно, насколько сложно рассчитывать квантовые системы на классических компьютерах. Это связано с тем, что квантово-механические системы становятся экспоненциально сложнее по мере увеличения их размеров. Даже точный расчет поведения 100 квантовых частиц находится за пределами возможностей большинства современных суперкомпьютеров.

В то же время фундаментальное понимание сложных квантовых систем необходимо для прогнозирования свойств, например, определенных материалов или биомолекул. Поэтому в начале 1980-х годов физик и лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман предложил использовать квантовые симуляторы и компьютеры для расчета сложных квантово-механических явлений вместо классических компьютеров, поскольку они подчиняются тем же законам, что и вычисляемые системы, и таким образом обходят ограничения классических компьютеров.

В то время как квантовые симуляторы в первую очередь подходят для очень специфических, платформенно-зависимых задач, таких как физика твердого тела, квантовые компьютеры более универсальны в применении. Однако они требуют больших усилий и контроля.

Они основаны на индивидуальных, взаимосвязанных и полностью программируемых единицах хранения, называемых кубитами, которые способны выполнять определенные алгоритмы, используя квантовые ворота между ними. Эта универсальность и высокий потенциал вычислительной мощности квантовых компьютеров открывают новые научные и технологические возможности, например, в фундаментальном понимании и разработке новых материалов или в области квантово-химических расчетов молекулярных структур.

Однако основным препятствием для исследования этой многообещающей технологии является масштабирование квантовых компьютеров и симуляторов до большого количества кубитов, при этом сохраняя необходимый контроль над отдельными компонентами. В настоящее время существует несколько подходов, конкурирующих друг с другом, чтобы справиться с этой задачей. Один из них основан на нейтральных атомах.

Такие атомные квантовые компьютеры и квантовые симуляторы в значительной степени полагаются на стабильные и масштабируемые атомные конфигурации, которые формируют регистры, необходимые для вычислений. Атомы захватываются индивидуально с помощью оптических пинцетов, то есть плотно сфокусированных лазерных лучей или оптических решеток, чрезвычайно точных периодических массивов, сформированных из интерферирующих лазерных лучей.

Каждый отдельный атом, захваченный в такие пинцеты или решетки, может служить кубитом. Однако чем больше регистр, тем больше атомов теряется или нагревается, что делает систему более подверженной ошибкам с течением времени. В современных системах весь регистр атомов необходимо регулярно пополнять, что существенно ограничивает размер, которого может достичь система.

Теперь ученым удалось интегрировать своего рода зону перезагрузки в свою экспериментальную установку, которая работает с щелочноземельным атомом стронцием. Каждые 3,5 секунды в регистр добавляется около 130 атомов.

«Эта методика замены потерянных атомов в реальном времени является важным шагом на пути к практическому использованию квантовых технологий, поскольку только благодаря бесперебойной и продолжительной работе систем становятся возможными крупномасштабные квантовые вычисления, моделирование и измерения», — говорит Йоханнес Цайхер, руководитель эксперимента.

Следующие шаги в этом эксперименте включают управление электронным состоянием атомов, например, с помощью оптического пинцета, так что каждый отдельный атом в регистре становится кубитом, содержащим квантовую информацию. Добавление контролируемых взаимодействий между соседними атомами в массиве затем позволяет генерировать квантовую запутанность — основу любого квантового вычисления.

«Мы уже работаем над концепциями, которые позволят объединить нашу новую технологию с непрерывными квантовыми вычислениями. Поддержание когерентности кубитов на этапе перезагрузки имеет важное значение для раскрытия огромного потенциала квантовых вычислений и квантового моделирования.