Дослідники досягли значного прогресу в галузі квантових обчислень, успішно реалізувавши безперервну роботу великомасштабної системи нейтральних атомів, що налічує понад 3000 кубітів. Ця інноваційна розробка вирішує давні проблеми, пов'язані з втратою атомів та імпульсним режимом роботи, які обмежували масштабованість квантових процесорів.
Нейтральні атоми є універсальною платформою для квантових досліджень, що дозволяє здійснювати точний контроль на рівні окремих атомів. Вони відіграють ключову роль у квантовому моделюванні, квантових обчисленнях, метрології, атомних годинниках та квантовому зв'язку. Однак, досі існувала проблема імпульсного характеру роботи таких систем, що вимагало частих перезавантажень атомів через декогеренцію та вплив зовнішніх факторів, перериваючи квантові операції та обмежуючи швидкість циклів.
Інноваційна експериментальна архітектура, розроблена командою дослідників, використовує дві оптичні решітчасті "конвеєрні стрічки". Ці динамічні решітки ефективно транспортують резервуари холодних атомів до "наукової зони" для контролю та вимірювання. Атоми потім вибірково витягуються в оптичні пінцети, що слугують сховищами кубітів, з мінімальним впливом на вже наявні кубіти. Система продемонструвала швидкість перезавантаження 300 000 атомів за секунду в оптичні пінцети, що дозволило ініціалізувати понад 30 000 кубітів за секунду. Це забезпечило можливість збирання та безперервного підтримання масиву кубітів з понад 3000 атомів протягом двох годин.
Ключовою особливістю цього підходу є здатність постійно поповнювати атомний масив кубітів, зберігаючи при цьому квантові стани наявних кубітів. Дослідники продемонстрували можливість поповнення спін-поляризованими атомами та введення кубітів у когерентних суперпозиційних станах. Ця функція є критично важливою для збереження когерентності під час динамічних оновлень системи, що необхідно для квантової корекції помилок у реальному часі.
Використання двох конвеєрних стрічок у цій архітектурі просторово розділяє резервуари атомів від зони проведення наукових процесів. Це зменшує тепловий та вібраційний шум, який може порушити когерентність. Така просторова модуляція гарантує, що процес безперервного завантаження атомів не призводить до декогеренції робочих кубітів. Ця робота демонструє вражаючий контроль над атомними кубітами на рівні окремих частинок. Оптичні пінцети забезпечують винятковий просторовий та часовий контроль, тоді як решітчасті конвеєрні стрічки пропонують масштабований механізм транспортування. Взаємодія цих елементів відкриває шлях до створення масштабованих квантових процесорів з мільйонами кубітів.
Наслідки безперервної роботи систем нейтральних атомів є надзвичайно важливими для розвитку квантових технологій. Атомні годинники можуть отримати підвищену швидкість циклів та покращену точність. У квантовому сенсингу, вищі швидкості збору даних та безперервні вимірювання покращують співвідношення сигнал/шум. Крім того, безперервна когерентна робота позиціонує масиви нейтральних атомів як лідерів у прагненні до відмовостійких квантових обчислень. Можливості постійного оновлення та корекції помилок пропонують перспективний шлях до глибокої еволюції квантових схем, що є критично важливим для складних квантових алгоритмів, які потребують тривалого часу когерентності.
Ця інновація також зміцнює основу для надійної квантової мережі. Безперервна робота великомасштабних масивів кубітів потенційно підтримує стабільний розподіл заплутаності та функціональність квантових повторювачів, що є життєво важливим для масштабованої інфраструктури квантового інтернету. Хоча ця платформа є значним досягненням, виклики для практичного впровадження залишаються. Масштабування понад 3000 кубітів вимагатиме подальшого інженерного розвитку та інтеграції з передовими методами квантового контролю. Проте, чітка демонстрація безперервної когерентної роботи трансформує парадигму розробки квантових пристроїв на нейтральних атомах. Ця робота встановлює платформи нейтральних атомів як життєздатні архітектури для наступного покоління квантових технологій, що працюють безперервно та в масштабі. Поєднуючи транспортування за допомогою оптичних решіток, надшвидке перезавантаження та збереження стану кубітів, дослідження закладає основу для квантового моделювання, обчислень, атомних годинників, сенсорів та систем квантового зв'язку, прискорюючи шлях до надійних, масштабованих та відмовостійких квантових машин.