Pesquisadores alcançaram um marco significativo na tecnologia quântica, demonstrando a operação contínua de um sistema quântico de átomos neutros em larga escala, com mais de 3.000 qubits. Este avanço aborda desafios de longa data na área, como a perda de átomos e a operação pulsada, que historicamente limitaram a escalabilidade dos processadores quânticos atômicos.
Os átomos neutros são uma plataforma versátil para a ciência quântica, permitindo controle preciso no nível de átomo único, essencial para simulações quânticas, computação, metrologia, relógios atômicos e redes quânticas. No entanto, a natureza pulsada desses sistemas tem sido um gargalo, pois átomos aprisionados em pinças ópticas ou redes são perdidos devido à decoerência e perturbações ambientais, exigindo recargas frequentes que interrompem as operações quânticas.
A equipe de pesquisa implementou uma arquitetura experimental inovadora, utilizando duas "esteiras rolantes" de rede óptica. Esses mecanismos dinâmicos transportam eficientemente reservatórios de átomos frios para a "região de ciência" para controle e medição. Os átomos são então seletivamente extraídos para pinças ópticas, servindo como repositórios de qubits, com mínima perturbação aos qubits já existentes. O sistema demonstrou uma taxa de recarga de 300.000 átomos por segundo em pinças ópticas, permitindo a inicialização de mais de 30.000 qubits por segundo.
Essa capacidade possibilitou a montagem e sustentação contínua de um arranjo de qubits com mais de 3.000 átomos por mais de duas horas. Uma característica crucial desta abordagem é a capacidade de reabastecimento persistente do arranjo de qubits atômicos, mantendo os estados quânticos dos qubits armazenados. Os pesquisadores demonstraram o reabastecimento com átomos polarizados em spin e a injeção de qubits em estados de superposição coerente. Essa funcionalidade é vital para preservar a coerência durante atualizações dinâmicas do sistema, um requisito para a correção de erros quânticos em tempo real.
A arquitetura emprega duas esteiras rolantes para separar espacialmente os reservatórios de átomos da área de processamento científico, mitigando ruídos térmicos e vibracionais que poderiam prejudicar a coerência. Essa modulação espacial garante que o processo contínuo de carregamento de átomos não imponha penalidades de decoerência aos qubits operacionais.
As implicações da operação contínua em sistemas de átomos neutros são profundas para o avanço da tecnologia quântica. Relógios atômicos podem experimentar taxas de ciclo aprimoradas e maior precisão, enquanto na sensoriamento quântico, taxas de aquisição de dados mais elevadas e medições ininterruptas melhoram a relação sinal-ruído. Além disso, a operação contínua e coerente posiciona os arranjos de átomos neutros como pioneiros na busca pela computação quântica tolerante a falhas, oferecendo um caminho promissor para a evolução quântica de circuitos profundos e a distribuição de emaranhamento em larga escala para redes quânticas robustas.
Embora este avanço represente um marco, desafios persistem para a implementação prática. A escalabilidade para além de 3.000 qubits exigirá engenharia adicional e integração com técnicas avançadas de controle quântico. No entanto, a demonstração clara de operação contínua e coerente transforma o paradigma de desenvolvimento para dispositivos quânticos baseados em átomos, acelerando a jornada em direção a máquinas quânticas robustas, escaláveis e tolerantes a falhas.