Исследователи совершили значительный шаг в развитии квантовых технологий, добившись непрерывной работы крупномасштабной квантовой системы на нейтральных атомах, включающей более 3000 кубитов. Этот прорыв решает давние проблемы, связанные с потерями атомов и импульсным режимом работы, которые ранее ограничивали масштабируемость атомных квантовых процессоров.
Нейтральные атомы являются универсальной платформой для квантовой науки, позволяя осуществлять точный контроль на уровне отдельных атомов. Они играют ключевую роль в квантовом моделировании, квантовых вычислениях, метрологии, создании атомных часов и квантовых сетей. Однако, традиционная импульсная работа таких систем была существенным препятствием. Потери атомов из-за декогеренции и внешних воздействий требовали частой перезагрузки, прерывая квантовые операции и снижая скорость циклов. Переход к непрерывным режимам работы является критически важным для достижения высокой пропускной способности в квантовой обработке и сенсорике.
Команда исследователей применила инновационную экспериментальную архитектуру, включающую две оптические решетки типа «конвейерная лента». Эти динамические решетки эффективно перемещают резервуары холодных атомов в «научную зону» для контроля и измерений. Затем атомы избирательно извлекаются в оптические пинцеты, служащие хранилищами кубитов, с минимальным воздействием на существующие кубиты. Система продемонстрировала скорость перезагрузки в 300 000 атомов в секунду в оптические пинцеты, что позволило инициализировать более 30 000 кубитов в секунду. Это обеспечило сборку и непрерывное поддержание массива кубитов, насчитывающего более 3000 атомов, в течение двух часов.
Ключевой особенностью данного подхода является возможность постоянного пополнения массива атомных кубитов при сохранении квантовых состояний уже имеющихся кубитов. Исследователи продемонстрировали пополнение поляризованными по спину атомами и инжекцию кубитов в когерентных суперпозиционных состояниях. Эта возможность критически важна для сохранения когерентности во время динамических обновлений системы, что необходимо для коррекции квантовых ошибок в реальном времени.
Архитектура с двумя конвейерными лентами обеспечивает пространственное разделение резервуаров атомов и зоны проведения научных экспериментов, что снижает тепловые и вибрационные шумы, способные нарушить когерентность. Такое пространственное разделение гарантирует, что непрерывный процесс загрузки атомов не приведет к декогеренции рабочих кубитов.
Разработанная технология открывает новые горизонты для различных областей квантовых технологий. Атомные часы могут получить увеличенную скорость циклов и повышенную точность. В квантовой сенсорике более высокая скорость сбора данных и непрерывные измерения улучшают соотношение сигнал/шум. Кроме того, непрерывная когерентная работа делает массивы на нейтральных атомах одними из лидеров в создании отказоустойчивых квантовых компьютеров, предлагая перспективный путь к глубоким квантовым вычислениям, необходимым для сложных квантовых алгоритмов.
Эта инновация также укрепляет основу для создания надежных квантовых сетей. Непрерывная работа крупномасштабных массивов кубитов потенциально поддерживает стабильное распределение запутанности и функции квантовых повторителей, что жизненно важно для масштабируемой инфраструктуры квантового интернета. Исследования в области нейтральных атомов активно развиваются, демонстрируя прогресс в создании систем с сотнями и тысячами кубитов, что приближает нас к реализации полномасштабных квантовых компьютеров. Например, китайские физики разработали компонент, способный формировать массивы, в десять раз превышающие возможности предыдущих установок, с перспективой масштабирования до десятков тысяч ячеек. Это важный шаг к повышению вычислительной эффективности квантовых систем, где скорость итерации квантовых схем (qCIR) становится ключевой метрикой производительности.