Un progresso fondamentale nel campo della tecnologia quantistica è stato segnato dal raggiungimento dell'operatività continua in un sistema quantistico su larga scala basato su atomi neutri. I ricercatori sono riusciti a manipolare e mantenere coerentemente oltre 3.000 qubit per un periodo senza precedenti, superando sfide storiche che hanno finora ostacolato la scalabilità dei processori quantistici atomici, come la perdita di atomi e l'operatività a impulsi.
Gli atomi neutri rappresentano una piattaforma versatile per la scienza quantistica, cruciali per simulazioni, calcolo, metrologia, orologi atomici e reti quantistiche, grazie al loro controllo preciso a livello di singolo atomo. Tuttavia, la natura intrinsecamente pulsata di questi sistemi, dovuta all'inevitabile perdita di atomi intrappolati in pinzette ottiche o reticoli, ha rappresentato un collo di bottiglia. La transizione verso modalità operative continue è un obiettivo primario per sbloccare un'elaborazione e un rilevamento quantistico ad alto rendimento.
Il team di ricerca ha implementato un'architettura sperimentale innovativa che impiega due "nastri trasportatori" ottici a reticolo. Questi reticoli dinamici spostano efficientemente riserve di atomi freddi nella "regione scientifica" per il controllo e la misurazione. Successivamente, gli atomi vengono estratti selettivamente in pinzette ottiche, fungendo da depositi di qubit, con una minima perturbazione per i qubit esistenti. Questo sistema ha dimostrato una velocità di ricarica di 300.000 atomi al secondo nelle pinzette ottiche, consentendo l'inizializzazione di oltre 30.000 qubit al secondo. Tale produttività ha permesso l'assemblaggio e il mantenimento continuo di un array di oltre 3.000 atomi per più di due ore.
Una caratteristica chiave di questo approccio è la capacità di riempire persistentemente l'array di qubit atomici preservando gli stati quantistici dei qubit memorizzati. I ricercatori hanno dimostrato il rifornimento con atomi polarizzati in spin e l'iniezione di qubit in stati di sovrapposizione coerente. Questa funzionalità è essenziale per mantenere la coerenza durante gli aggiornamenti dinamici del sistema, un requisito fondamentale per la correzione degli errori quantistici in tempo reale. L'architettura, separando spazialmente le riserve di atomi dall'area di processo scientifico, mitiga il rumore termico e vibrazionale che potrebbe compromettere la coerenza, assicurando che il processo di caricamento continuo degli atomi non introduca penalità di decoerenza sui qubit operativi.
Le implicazioni di questi sistemi a atomi neutri operanti in modo continuo sono significative per l'intera tecnologia quantistica. Gli orologi atomici potrebbero beneficiare di velocità di ciclo migliorate e maggiore precisione. Nel campo del rilevamento quantistico, tassi di acquisizione dati più elevati e misurazioni ininterrotte migliorano il rapporto segnale-rumore. Inoltre, l'operatività continua e coerente posiziona gli array di atomi neutri come pionieri nella ricerca di un calcolo quantistico tollerante ai guasti. Le possibilità di aggiornamento continuo e correzione degli errori offrono un percorso promettente per l'evoluzione di circuiti quantistici profondi, cruciali per algoritmi quantistici complessi che richiedono lunghi tempi di coerenza. Questo progresso rafforza anche le basi per reti quantistiche robuste, con un'operatività persistente su array di qubit su larga scala che potenzialmente supporta la distribuzione di entanglement in stato stazionario e funzionalità di ripetitori quantistici, elementi vitali per un'infrastruttura di internet quantistico scalabile.
Sebbene questa piattaforma rappresenti una pietra miliare, persistono sfide per l'implementazione pratica. La scalabilità oltre i 3.000 qubit richiederà ulteriori sforzi ingegneristici e integrazione con tecniche avanzate di controllo quantistico. Tuttavia, la chiara dimostrazione di un'operatività coerente continua trasforma il paradigma di sviluppo per i dispositivi quantistici a atomi neutri. Questo lavoro stabilisce le piattaforme a atomi neutri come architetture valide per le tecnologie quantistiche di prossima generazione operanti continuamente su larga scala, ponendo le basi per simulazioni quantistiche, calcolo, orologi atomici, sensori e sistemi di comunicazione quantistica, accelerando il cammino verso macchine quantistiche robuste, scalabili e tolleranti ai guasti.