Naukowcy dokonali znaczącego postępu w dziedzinie technologii kwantowych, osiągając ciągłą pracę dużego systemu atomów neutralnych, który obejmuje ponad 3000 kubitów. To przełomowe osiągnięcie rozwiązuje odwieczne wyzwania związane z impulsowym działaniem i stratami atomów w tego typu systemach, które dotychczas ograniczały ich skalowalność.
Atomy neutralne są wszechstronną platformą dla nauki kwantowej, umożliwiającą precyzyjną kontrolę na poziomie pojedynczego atomu. Są kluczowe dla symulacji kwantowych, obliczeń kwantowych, metrologii, zegarów atomowych i sieci kwantowych. Tradycyjnie jednak, atomy uwięzione w pułapkach optycznych lub sieciach były nieuchronnie tracone z powodu dekoherencji i zakłóceń zewnętrznych, co wymagało ich częstego uzupełniania i przerywało operacje kwantowe. Przejście na tryby ciągłego działania jest kluczowe dla odblokowania wysokowydajnego przetwarzania kwantowego i detekcji.
Zespół badawczy zastosował innowacyjną architekturę eksperymentalną z dwoma "przenośnikami" sieci optycznych. Te dynamiczne sieci efektywnie przenoszą rezerwuary zimnych atomów do "regionu naukowego" w celu kontroli i pomiaru. Następnie atomy są selektywnie wydobywane do pułapek optycznych, służących jako repozytoria kubitów, z minimalnym zakłóceniem istniejących kubitów. System wykazał wskaźnik przeładowania 300 000 atomów na sekundę do pułapek optycznych, umożliwiając inicjalizację ponad 30 000 kubitów na sekundę.
Ta przepustowość pozwoliła na złożenie i ciągłe utrzymanie tablicy przekraczającej 3000 atomów przez ponad dwie godziny. Kluczową cechą tego podejścia jest jego zdolność do stałego uzupełniania atomowej tablicy kubitów przy jednoczesnym zachowaniu stanów kwantowych przechowywanych kubitów. Naukowcy zademonstrowali uzupełnianie atomami spolaryzowanymi spinowo oraz wstrzykiwanie kubitów w stanach koherentnej superpozycji. Ta zdolność jest kluczowa dla zachowania koherencji podczas dynamicznych aktualizacji systemu, co jest niezbędne do kwantowej korekcji błędów w czasie rzeczywistym.
Architektura wykorzystująca dwa przenośniki przestrzennie oddziela rezerwuary atomów od obszaru przetwarzania naukowego, łagodząc szum termiczny i wibracyjny, który mógłby zakłócić koherencję. Ta modulacja przestrzenna zapewnia, że ciągły proces ładowania atomów nie nakłada kar za dekoherencję na operacyjne kubity. Pułapki optyczne zapewniają wyrafinowaną kontrolę przestrzenną i czasową, podczas gdy przenośniki sieci optycznych oferują skalowalny mechanizm transportu. Interakcja tych elementów toruje drogę do skalowalnych procesorów kwantowych z milionami kubitów.
Implikacje ciągłego działania systemów atomów neutralnych są dramatyczne dla całej technologii kwantowej. Zegary atomowe mogą zyskać na zwiększonych szybkościach cykli i poprawionej precyzji. W przypadku czujników kwantowych, większe szybkości akwizycji danych i nieprzerwane pomiary poprawiają stosunek sygnału do szumu. Co więcej, ciągłe, koherentne działanie pozycjonuje tablice atomów neutralnych jako liderów w dążeniu do obliczeń kwantowych odpornych na błędy. Możliwości ciągłego odświeżania i korekcji błędów oferują obiecującą ścieżkę do głębokiej ewolucji obwodów kwantowych, co jest kluczowe dla złożonych algorytmów kwantowych wymagających długich czasów koherencji.
Ta innowacja wzmacnia również fundamenty solidnych sieci kwantowych. Ciągłe działanie na dużych tablicach kubitów potencjalnie wspiera dystrybucję splątania w stanie ustalonym i funkcje repeaterów kwantowych, co jest kluczowe dla skalowalnej infrastruktury internetu kwantowego. Choć ta platforma stanowi kamień milowy, wyzwania pozostają dla praktycznego wdrożenia. Skalowanie powyżej 3000 kubitów będzie wymagało dalszych prac inżynieryjnych i integracji z zaawansowanymi technikami kontroli kwantowej.
Niemniej jednak, jasna demonstracja ciągłego koherentnego działania przekształca paradygmat rozwoju neutralnych atomowych urządzeń kwantowych. Badania te ustanawiają platformy atomów neutralnych jako wykonalne architektury dla przyszłych technologii kwantowych działających w sposób ciągły i na dużą skalę. Łącząc transport sieci optycznych, ultraszybkie przeładowanie i zachowanie stanu kubitów, badania te stanowią kamień węgielny dla symulacji kwantowych, obliczeń, zegarów atomowych, czujników i systemów komunikacji kwantowej, przyspieszając podróż w kierunku solidnych, skalowalnych i odpornych na błędy maszyn kwantowych.
W kontekście globalnego wyścigu technologicznego, Polska również aktywnie uczestniczy w badaniach nad technologiami kwantowymi. Instytucje takie jak Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego, pod kierownictwem prof. Konrada Banaszka, prowadzą prace nad optycznymi systemami łączności kwantowej, a także nad zastosowaniami w metrologii i bezpieczeństwie danych. Polska jest również koordynatorem europejskiej sieci finansującej badania w zakresie technologii kwantowych – programu QuantERA, co podkreśla jej zaangażowanie w rozwój tej przełomowej dziedziny. Badania nad atomami neutralnymi, takie jak opisane tutaj, stanowią kluczowy element szerszego obrazu postępu w informatyce kwantowej. Zrozumienie i rozwijanie tych technologii otwiera drogę do rozwiązywania problemów, które dotychczas były poza zasięgiem nawet najpotężniejszych superkomputerów. To nie tylko krok naprzód w nauce, ale również potencjalna rewolucja w wielu sektorach gospodarki i życia codziennego.