Forscher haben einen bedeutenden Fortschritt in der Quantentechnologie erzielt, indem sie einen kontinuierlichen Betrieb eines groß angelegten neutralen Atomsystems mit über 3.000 Qubits ermöglichten. Diese Leistung überwindet traditionelle Hürden bei atomaren Quantenprozessoren, wie Atomverluste und gepulster Betrieb, die bisher die Skalierbarkeit einschränkten.
Neutrale Atome sind eine vielseitige Plattform für die Quantenwissenschaft und finden Anwendung in Quantensimulationen, Quantenberechnungen, Metrologie, Atomuhren und Quantennetzwerken. Bisher war die Skalierbarkeit durch den inhärent gepulsten Charakter dieser Systeme begrenzt, da Atome in optischen Fallen durch Dekohärenz und Umwelteinflüsse verloren gehen und häufig neu geladen werden müssen, was Quantenoperationen unterbricht. Die Umstellung auf kontinuierliche Betriebsmodi ist daher ein entscheidendes Ziel für Hochdurchsatz-Quantenverarbeitung und -sensorik.
Das Forschungsteam nutzte eine innovative experimentelle Architektur mit zwei optischen Gitter-„Förderbändern“. Diese ermöglichen den effizienten Transport von Kältereservoirs in die „Science Region“ zur Steuerung und Messung. Atome werden selektiv in optische Pinzetten extrahiert, die als Qubit-Speicher dienen, ohne bestehende Qubits zu stören. Dies ermöglichte eine Nachladungsrate von 300.000 Atomen pro Sekunde in optische Pinzetten und die Initialisierung von über 30.000 Qubits pro Sekunde. So konnte ein Qubit-Array von über 3.000 Atomen über zwei Stunden hinweg kontinuierlich aufgebaut und aufrechterhalten werden.
Ein Kernmerkmal dieses Ansatzes ist die Fähigkeit, das atomare Qubit-Array persistent aufzufüllen, während die Quantenzustände der gespeicherten Qubits erhalten bleiben. Die Forscher demonstrierten die Nachladung mit spinpolarisierten Atomen und die Injektion von Qubits in kohärenten Superpositionszuständen. Diese Fähigkeit ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Kohärenz während dynamischer Systemaktualisierungen, was für die Echtzeit-Quantenfehlerkorrektur unerlässlich ist. Die räumliche Trennung von Atomreservoirs und dem Verarbeitungsbereich durch die Förderbänder minimiert thermisches und vibrationsbedingtes Rauschen, das die Kohärenz stören könnte.
Dieser Fortschritt ist von großer Bedeutung für verschiedene Bereiche der Quantentechnologie. Atomuhren könnten von erhöhten Zyklusraten und verbesserter Präzision profitieren. In der Quantensensorik ermöglichen höhere Datenerfassungsraten und unterbrechungsfreie Messungen verbesserte Signal-Rausch-Verhältnisse. Darüber hinaus positioniert der kontinuierliche, kohärente Betrieb neutrale Atom-Arrays als führende Kandidaten für fehlertolerantes Quantencomputing, da die kontinuierliche Auffrischung und Fehlerkorrektur einen vielversprechenden Weg für tiefe Quantenentwicklungen ebnen. Dies ist entscheidend für komplexe Quantenalgorithmen, die lange Kohärenzzeiten erfordern.
Die Entwicklung stärkt auch die Grundlage für ein robustes Quantennetzwerk. Der persistente Betrieb über großflächige Qubit-Arrays hinweg unterstützt potenziell die Verteilung von stationären Verschränkungen und Quantenrepeater-Funktionalitäten, was für eine skalierbare Quanten-Internet-Infrastruktur von entscheidender Bedeutung ist. Deutschland spielt eine herausragende Rolle in der Erforschung und Anwendung der Neutralatom-Technologie, mit Forschungszentren, die weltweit führend in der analogen Quantensimulation sind. Das Munich Quantum Valley (MQV) treibt beispielsweise die Entwicklung von Quantencomputern auf Basis von Neutralatomen voran, mit dem Ziel, Bayern zu einem führenden Zentrum in diesem Bereich zu machen. Projekte wie das TAQC-Konsortium konzentrieren sich auf den Bau eines gate-basierten Quantencomputers mit neutralen Strontiumatomen, während andere Initiativen wie SNAQC die Quantenfehlerkorrektur in solchen Systemen untersuchen, um die Skalierbarkeit zu verbessern. Die Integration von Neutral-Atom-Systemen mit NVIDIAs Recheninfrastruktur verspricht weitere Beschleunigung.
Obwohl diese Plattform einen Meilenstein darstellt, bleiben Herausforderungen für den praktischen Einsatz bestehen. Die Skalierung über 3.000 Qubits hinaus erfordert weitere Ingenieurskunst und Integration fortschrittlicher Quantensteuertechniken. Dennoch transformiert die klare Demonstration des kontinuierlichen kohärenten Betriebs das Entwicklungsparadigma für neutrale Atom-Quantengeräte.