Un equipo de investigadores ha logrado un avance significativo en la tecnología cuántica al conseguir la operación continua de un sistema cuántico de átomos neutros a gran escala. Este sistema manipula y mantiene coherentemente más de 3.000 cúbits, superando desafíos históricos en los procesadores cuánticos atómicos relacionados con la pérdida de átomos y la operación pulsada que limitaban la escalabilidad.
Los átomos neutros son una plataforma fundamental para la ciencia cuántica debido a su control preciso a nivel de átomo individual, siendo cruciales para simulaciones cuánticas, computación, metrología, relojes atómicos y redes cuánticas. Sin embargo, la naturaleza pulsada de estos sistemas, donde los átomos atrapados en pinzas ópticas o redes son perdidos por decoherencia y perturbaciones ambientales, ha sido un obstáculo persistente que requiere recargas frecuentes.
Para abordar esto, el equipo desarrolló una arquitectura experimental innovadora con dos "cintas transportadoras" de redes ópticas. Estas redes mueven eficientemente reservorios de átomos fríos a una "región científica" para control y medición. Posteriormente, los átomos se extraen selectivamente en pinzas ópticas, actuando como repositorios de cúbits sin alterar significativamente los cúbits existentes. El sistema demostró una tasa de recarga de 300.000 átomos por segundo en pinzas ópticas, permitiendo la inicialización de más de 30.000 cúbits por segundo. Esta capacidad facilitó el ensamblaje y mantenimiento continuo de una matriz de más de 3.000 cúbits atómicos durante más de dos horas.
Una característica clave de este enfoque es su habilidad para rellenar persistentemente la matriz de cúbits atómicos mientras se preservan los estados cuánticos de los cúbits almacenados. Los investigadores demostraron la recarga con átomos polarizados en espín y la inyección de cúbits en estados de superposición coherente, lo cual es esencial para mantener la coherencia durante las actualizaciones dinámicas del sistema y para la corrección de errores cuánticos en tiempo real. La arquitectura utiliza las dos cintas transportadoras para separar espacialmente los reservorios de átomos del área de procesamiento, mitigando el ruido térmico y vibracional que podría afectar la coherencia.
Este avance subraya un control experimental impresionante sobre los cúbits atómicos a nivel de partícula única. Las pinzas ópticas ofrecen un control espacial y temporal exquisito, mientras que las cintas transportadoras de redes proporcionan un mecanismo de transporte escalable. La interacción de estos elementos abre el camino hacia procesadores cuánticos escalables con millones de cúbits. La investigación en sistemas de átomos neutros está avanzando rápidamente, con sistemas que actualmente albergan alrededor de 3.000 cúbits y planes para escalar a 1.000 en un futuro cercano, destacando la conectividad sintonizable y las interacciones de largo alcance de los cúbits de átomos neutros como ventajas significativas.
Las implicaciones de los sistemas de átomos neutros en operación continua son profundas para toda la tecnología cuántica. Los relojes atómicos podrían beneficiarse de tasas de ciclo mejoradas y mayor precisión. En la detección cuántica, tasas de adquisición de datos más altas y mediciones ininterrumpidas mejorarían las relaciones señal-ruido. Además, la operación continua y coherente posiciona a las matrices de átomos neutros como líderes en la búsqueda de la computación cuántica tolerante a fallos. Las posibilidades de actualización continua y corrección de errores ofrecen un camino prometedor para la evolución de circuitos cuánticos profundos, crucial para algoritmos cuánticos complejos que requieren largos tiempos de coherencia. Este avance también fortalece la base para una red cuántica robusta, con la operación persistente en matrices de cúbits a gran escala que potencialmente soporta la distribución de entrelazamiento en estado estable y funcionalidades de repetidor cuántico, vital para una infraestructura de internet cuántico escalable.
Si bien esta plataforma marca un hito, persisten desafíos para la implementación práctica. Escalar más allá de los 3.000 cúbits requerirá ingeniería adicional e integración con técnicas avanzadas de control cuántico. No obstante, la clara demostración de operación continua y coherente transforma el paradigma de desarrollo para dispositivos cuánticos de átomos neutros. La investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) en China, por ejemplo, ha integrado IA para mejorar el control y procesamiento en la computación cuántica de átomos neutros, estableciendo un nuevo récord y marcando un paso clave hacia máquinas cuánticas prácticas y escalables. Este trabajo consolida las plataformas de átomos neutros como arquitecturas viables para tecnologías cuánticas de próxima generación que operan continuamente a escala, acelerando el viaje hacia máquinas cuánticas robustas, escalables y tolerantes a fallos.