Các nhà nghiên cứu đã đạt được một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực điện toán lượng tử bằng cách vận hành thành công một hệ thống nguyên tử trung tính quy mô lớn, duy trì sự kiểm soát và thao tác đồng bộ trên hơn 3.000 qubit trong một khoảng thời gian chưa từng có. Thành tựu này giải quyết những thách thức cố hữu trong các bộ xử lý lượng tử nguyên tử, vốn trước đây bị cản trở bởi sự mất mát nguyên tử và hoạt động theo xung.
Nguyên tử trung tính là một nền tảng linh hoạt cho khoa học lượng tử, cho phép kiểm soát chính xác ở cấp độ từng nguyên tử, đóng vai trò thiết yếu trong mô phỏng lượng tử, tính toán lượng tử, đo lường, đồng hồ nguyên tử và mạng lượng tử. Tuy nhiên, bản chất hoạt động theo xung của các hệ thống này đã là một rào cản dai dẳng. Các nguyên tử bị bẫy trong các nhíp quang hoặc lưới quang học thường bị mất đi do sự suy giảm và các yếu tố môi trường, đòi hỏi phải nạp lại thường xuyên, làm gián đoạn hoạt động lượng tử và giới hạn tốc độ chu kỳ. Việc chuyển đổi sang chế độ hoạt động liên tục là mục tiêu then chốt để khai thác khả năng xử lý và cảm biến lượng tử thông lượng cao.
Để đạt được mục tiêu này, nhóm nghiên cứu đã triển khai một kiến trúc thử nghiệm tiên tiến với hai "băng chuyền" lưới quang học. Các băng chuyền động này vận chuyển hiệu quả các nguồn nguyên tử lạnh vào khu vực khoa học để kiểm soát và đo lường. Sau đó, các nguyên tử được chọn lọc đưa vào các nhíp quang, đóng vai trò là kho chứa qubit, với sự xáo trộn tối thiểu đối với các qubit hiện có. Hệ thống này cho thấy tốc độ nạp lại 300.000 nguyên tử mỗi giây vào các nhíp quang, cho phép khởi tạo hơn 30.000 qubit mỗi giây. Tốc độ này đã giúp xây dựng và duy trì liên tục một mảng qubit với hơn 3.000 nguyên tử trong hơn hai giờ.
Một điểm nhấn quan trọng của phương pháp này là khả năng bổ sung liên tục cho mảng qubit nguyên tử mà vẫn duy trì trạng thái lượng tử của các qubit đã lưu trữ. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh việc nạp lại bằng các nguyên tử có cực spin và tiêm các qubit ở trạng thái chồng chập đồng bộ. Khả năng này rất quan trọng để bảo toàn sự suy giảm trong quá trình cập nhật hệ thống động, cần thiết cho việc sửa lỗi lượng tử theo thời gian thực. Việc sử dụng hai băng chuyền giúp tách biệt các nguồn nguyên tử khỏi khu vực xử lý khoa học, giảm thiểu nhiễu nhiệt và rung động có thể làm suy giảm sự suy giảm của qubit. Sự điều biến không gian này đảm bảo quá trình nạp nguyên tử liên tục không gây ra lỗi suy giảm cho các qubit đang hoạt động.
Nghiên cứu này thể hiện khả năng kiểm soát thực nghiệm ấn tượng đối với các qubit nguyên tử ở cấp độ từng hạt. Các nhíp quang cung cấp khả năng kiểm soát không gian và thời gian tinh vi, trong khi các băng chuyền lưới quang học mang lại cơ chế vận chuyển có thể mở rộng quy mô. Sự tương tác giữa các yếu tố này mở đường cho các bộ xử lý lượng tử có thể mở rộng lên hàng triệu qubit. Các hệ thống nguyên tử trung tính hoạt động liên tục có ý nghĩa sâu sắc đối với công nghệ lượng tử, có khả năng cải thiện độ chính xác và tốc độ chu kỳ của đồng hồ nguyên tử, cũng như tăng tốc độ thu thập dữ liệu và cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trong cảm biến lượng tử.
Hơn nữa, hoạt động liên tục và đồng bộ đặt các mảng nguyên tử trung tính vào vị trí dẫn đầu trong việc theo đuổi điện toán lượng tử chịu lỗi, với khả năng bổ sung và sửa lỗi liên tục mang lại con đường đầy hứa hẹn cho sự tiến hóa lượng tử sâu sắc, điều cần thiết cho các thuật toán lượng tử phức tạp đòi hỏi thời gian suy giảm dài. Nghiên cứu này cũng củng cố nền tảng cho mạng lượng tử mạnh mẽ, với hoạt động liên tục trên các mảng qubit quy mô lớn có khả năng hỗ trợ phân phối vướng víu trạng thái ổn định và chức năng lặp lại lượng tử, điều quan trọng đối với cơ sở hạ tầng internet lượng tử có thể mở rộng.
Mặc dù nền tảng này đánh dấu một cột mốc quan trọng, những thách thức vẫn còn tồn tại cho việc triển khai thực tế, đòi hỏi kỹ thuật và tích hợp hơn nữa với các kỹ thuật kiểm soát lượng tử tiên tiến để mở rộng quy mô vượt ra ngoài 3.000 qubit. Tuy nhiên, việc chứng minh rõ ràng hoạt động đồng bộ liên tục đã thay đổi mô hình phát triển cho các thiết bị lượng tử nguyên tử, mở đường cho các thế hệ máy tính lượng tử mạnh mẽ và có thể mở rộng quy mô trong tương lai.