Onderzoekers hebben een belangrijke stap gezet in de kwantumtechnologie met de realisatie van een continu werkend, grootschalig neutraal atoom kwantumsysteem. Dit systeem, dat meer dan 3.000 qubits omvat, heeft deze qubits coherent gemanipuleerd en onderhouden voor een ongekend lange periode. Deze prestatie pakt langdurige uitdagingen aan in atomaire kwantumprocessoren, waar traditioneel verlies van atomen en gepulseerde werking de schaalbaarheid belemmerden.
Neutrale atomen vormen een veelzijdig platform voor kwantumwetenschap, essentieel voor toepassingen zoals kwantumsimulaties, kwantumcomputatie, metrologie, atoomklokken en kwantumnetwerken. Een hardnekkig knelpunt was echter de inherente gepulseerde aard van deze systemen, waarbij atomen door decoherentie en omgevingsfactoren verloren gaan, wat frequente herladingen vereist en kwantumoperaties onderbreekt. De overgang naar continue operatiemodi is cruciaal voor het ontsluiten van kwantumverwerking en -sensing met hoge doorvoer.
Het onderzoeksteam heeft een innovatieve experimentele architectuur geïmplementeerd met twee optische rooster 'transportbanden'. Deze dynamische roosters transporteren efficiënt reservoirs van koude atomen naar de 'science region', waar ze worden gecontroleerd en gemeten. Vervolgens worden atomen selectief in optische pincetten geplaatst, die dienen als opslagplaatsen voor qubits, met minimale verstoring van bestaande qubits. Dit systeem toonde een herlaadsnelheid van 300.000 atomen per seconde in optische pincetten, wat de initialisatie van meer dan 30.000 qubits per seconde mogelijk maakte. Hierdoor kon een qubit-array van meer dan 3.000 atomen continu worden onderhouden gedurende meer dan twee uur.
Een sleutelkenmerk van deze aanpak is het vermogen om de atomaire qubit-array continu bij te vullen, terwijl de kwantumtoestanden van opgeslagen qubits behouden blijven. De onderzoekers demonstreerden bijvulling met spin-gepolariseerde atomen en injectie van qubits in coherente superpositietoestanden. Deze mogelijkheid is essentieel voor het behouden van coherentie tijdens dynamische systeemupdates, wat cruciaal is voor realtime kwantumfoutcorrectie.
De architectuur scheidt de atoomreservoirs ruimtelijk van het wetenschappelijke procesgebied, waardoor thermische en vibratie-ruis die coherentie zou kunnen verstoren, wordt gemitigeerd. De implicaties van continue operatie met neutrale atomen zijn ingrijpend voor de kwantumtechnologie. Atoomklokken kunnen hogere cyclusfrequenties en verbeterde precisie ervaren, terwijl in kwantumsensoren hogere data-acquisitiesnelheden en ononderbroken metingen de signaal-ruisverhoudingen verbeteren.
Bovendien positioneren continue, coherente operaties neutrale atoomarrays als voorlopers in de zoektocht naar fouttolerante kwantumcomputatie. De continue vernieuwing en de mogelijkheden voor foutcorrectie bieden een veelbelovend pad naar diepgaande kwantumevolutie, essentieel voor complexe kwantumalgoritmen die lange coherentietijden vereisen. Dit versnelt de weg naar robuuste, schaalbare en fouttolerante kwantummachines. Hoewel dit platform een mijlpaal markeert, blijven uitdagingen voor praktische implementatie bestaan, zoals het opschalen voorbij 3.000 qubits, wat verdere engineering en integratie met geavanceerde kwantumcontroletechnieken vereist.