Peneliti telah mencapai kemajuan signifikan dalam teknologi kuantum dengan mewujudkan operasi berkelanjutan pada sistem kuantum atom netral berskala besar. Sistem ini berhasil memanipulasi dan mempertahankan lebih dari 3.000 qubit secara koheren untuk durasi yang belum pernah terjadi sebelumnya, mengatasi tantangan lama dalam prosesor kuantum atomik yang sebelumnya terhambat oleh kehilangan atom dan operasi berdenyut.
Atom netral merupakan platform yang sangat serbaguna untuk ilmu kuantum, menawarkan kontrol presisi pada tingkat atom tunggal untuk berbagai aplikasi seperti simulasi kuantum, komputasi kuantum, metrologi, jam atom, dan jaringan kuantum. Namun, sifat operasi berdenyut yang melekat pada sistem ini menjadi hambatan utama. Kehilangan atom akibat dekoherensi dan gangguan lingkungan mengharuskan pemuatan ulang yang sering, yang mengganggu operasi kuantum dan membatasi laju siklus. Peralihan ke mode operasi berkelanjutan adalah tujuan krusial untuk membuka potensi pemrosesan dan penginderaan kuantum berthroughput tinggi.
Tim peneliti memperkenalkan arsitektur eksperimental inovatif yang menampilkan dua "sabuk konveyor" kisi optik. Sabuk konveyor dinamis ini secara efisien memindahkan reservoir atom dingin ke "wilayah sains" untuk kontrol dan pengukuran. Atom kemudian dipilih secara selektif ke dalam penjepit optik, yang berfungsi sebagai repositori qubit, dengan gangguan minimal pada qubit yang sudah ada. Sistem ini menunjukkan laju pemuatan ulang 300.000 atom per detik ke dalam penjepit optik, memungkinkan inisialisasi lebih dari 30.000 qubit per detik. Throughput ini memungkinkan perakitan dan pemeliharaan berkelanjutan susunan qubit yang melebihi 3.000 atom selama lebih dari dua jam.
Fitur utama dari pendekatan ini adalah kapasitasnya untuk pengisian ulang terus-menerus pada susunan qubit atom sambil mempertahankan keadaan kuantum qubit yang tersimpan. Para peneliti mendemonstrasikan pengisian ulang dengan atom yang terpolarisasi spin dan injeksi qubit dalam keadaan superposisi koheren. Kemampuan ini sangat penting untuk mempertahankan koherensi selama pembaruan sistem dinamis, yang esensial untuk koreksi kesalahan kuantum secara real-time. Penggunaan dua sabuk konveyor memisahkan reservoir atom dari area proses sains, memitigasi kebisingan termal dan getaran yang dapat mengganggu koherensi. Modulasi spasial ini memastikan bahwa proses pemuatan atom yang berkelanjutan tidak menimbulkan penalti dekoherensi pada qubit operasional.
Inovasi ini menyoroti kontrol eksperimental yang mengesankan atas qubit atom pada tingkat partikel tunggal. Penjepit optik memberikan kontrol spasial dan temporal yang sangat baik, sementara sabuk konveyor kisi menawarkan mekanisme transportasi yang dapat diskalakan. Interaksi elemen-elemen ini membuka jalan bagi prosesor kuantum yang dapat diskalakan dengan jutaan qubit. Implikasi dari sistem atom netral operasi berkelanjutan sangat dramatis di seluruh teknologi kuantum. Jam atom dapat mengalami peningkatan laju siklus dan presisi yang lebih baik. Dalam penginderaan kuantum, laju akuisisi data yang lebih tinggi dan pengukuran tanpa gangguan meningkatkan rasio sinyal terhadap kebisingan. Lebih lanjut, operasi koheren yang berkelanjutan memposisikan susunan atom netral sebagai pemimpin dalam pengejaran komputasi kuantum yang toleran terhadap kesalahan.
Kemungkinan pembaruan dan koreksi kesalahan yang berkelanjutan menawarkan jalur yang menjanjikan untuk evolusi sirkuit kuantum yang mendalam, yang krusial untuk algoritma kuantum yang kompleks yang membutuhkan waktu koherensi yang lama. Inovasi ini juga memperkuat fondasi untuk jaringan kuantum yang kuat. Operasi berkelanjutan di seluruh susunan qubit skala besar berpotensi mendukung distribusi keterikatan keadaan tunak dan fungsionalitas repeater kuantum, yang penting untuk infrastruktur internet kuantum yang dapat diskalakan. Meskipun platform ini menandai sebuah tonggak sejarah, tantangan tetap ada untuk penerapan praktis. Penskalaan di luar 3.000 qubit akan memerlukan rekayasa dan integrasi lebih lanjut dengan teknik kontrol kuantum canggih. Namun demikian, demonstrasi operasi koheren yang berkelanjutan yang jelas mengubah paradigma pengembangan untuk perangkat kuantum atom netral. Karya ini menetapkan platform atom netral sebagai arsitektur yang layak untuk teknologi kuantum generasi berikutnya yang beroperasi secara berkelanjutan dalam skala besar, mempercepat perjalanan menuju mesin kuantum yang kuat, dapat diskalakan, dan toleran terhadap kesalahan.