Разработан самый быстрый в мире двухкубитный вентиль между двумя отдельными атомами
Исследовательская группа во главе с аспирантом Йелаем Чу, доцентом Сильвеном де Лезелеуком и профессором Кенджи Омори из Института молекулярных наук Национального института естественных наук использует атомы, охлажденные почти до абсолютного нуля и захваченные оптическим пинцетом, разделенные микроном или так (см. рис. 1). Манипулируя атомами с помощью специального лазерного излучения в течение 10 пикосекунд, им удалось запустить самый быстрый в мире двухкубитный вентиль — фундаментальную операцию, необходимую для квантовых вычислений, которая выполняется всего за 6,5 наносекунд.
Рис. 1. Концептуальная схема самого быстрого в мире двухкубитного вентиля. Два атома, захваченные оптическим пинцетом (красный свет) с разницей в микрометр, управляются сверхбыстрым лазерным импульсом (синий свет), светящимся всего 10 пикосекунд. Предоставлено: д-р Такафуми Томита (IMS)
Ожидается, что этот сверхбыстрый квантовый компьютер, использующий сверхбыстрые лазеры для манипулирования холодными атомами , захваченными оптическим пинцетом, станет совершенно новым квантовым компьютером, преодолевающим ограничения разрабатываемых в настоящее время типов сверхпроводников и захваченных ионов.
Результаты опубликованы в онлайн-издании Nature Photonics 8 августа 2022 года.
Квантовые компьютеры на основе холодного атома
Квантовые компьютеры холодных атомов основаны на методах лазерного охлаждения и захвата, отмеченных Нобелевскими премиями 1997 г. (С. Чу, К. Коэн-Таннуджи и У. Д. Филиппс, «Охлаждение и захват атомов лазерным светом ») и 2018 г. (А. Ашкин). , изобретение оптического пинцета. Эти методы облегчают расположение массивов холодных атомов в произвольные формы с помощью оптического пинцета и позволяют наблюдать за каждым по отдельности.
Поскольку атомы являются естественными квантовыми системами, они могут легко хранить квантовые биты информации, основной строительный блок («кубит») квантового компьютера (см. рис. 2). Кроме того, эти атомы очень хорошо изолированы от окружающей среды и независимы друг от друга. Время когерентности (время, в течение которого сохраняется квантовая суперпозиция) кубита может достигать нескольких секунд. Затем выполняется двухкубитный вентиль (важный базовый арифметический элемент для квантовых вычислений) путем возбуждения одного электрона атома на гигантскую электронную орбиталь, называемую ридберговской орбиталью.
Рис. 2. Схема квантового бита с использованием атомов рубидия. Предоставлено: д-р Такафуми Томита (IMS)
Благодаря этим методам платформа холодного атома стала одним из наиболее многообещающих кандидатов для квантового компьютерного оборудования, привлекая внимание промышленности, академических кругов и правительств по всему миру. В частности, он обладает революционным потенциалом, поскольку его можно легко масштабировать, сохраняя при этом высокую когерентность по сравнению со сверхпроводящими и захваченными ионами, которые в настоящее время разрабатываются.
Квантовые ворота
Квантовые вентили — это основные арифметические элементы, из которых состоят квантовые вычисления. Они соответствуют логическим элементам, таким как И и ИЛИ в обычных классических компьютерах. Существуют однокубитные вентили, которые манипулируют состоянием одного кубита, и двухкубитные вентили, создающие квантовую запутанность между двумя кубитами. Двухкубитный вентиль является источником высокой производительности квантовых компьютеров и технически сложен. Самый важный вентиль с двумя кубитами называется «вентиль с управляемым Z (вентиль CZ)». Это операция, которая переворачивает квантовую суперпозицию первого кубита с 0 + 1 на 0—1 в зависимости от состояния (0 или 1) второго кубита (см. рис. 3).
Рис. 3. Работа квантового вентиля. (Верхний) Когда атом 1 находится в состоянии «0», ничего не происходит. Когда атом 1 находится в состоянии «1», знак суперпозиции атома 2 меняется с положительного на отрицательный. Эта операция лежит в основе квантового алгоритма, работающего на квантовых компьютерах. Предоставлено: д-р Такафуми Томита (IMS)
Точность (верность) квантового вентиля легко ухудшается из-за шума из внешней среды и действующий лазер, что затрудняет разработку квантовых компьютеров. Поскольку временная шкала шума обычно медленнее одной микросекунды, если можно реализовать квантовый вентиль, который достаточно быстрее, чем это, можно будет избежать снижения точности вычислений из-за шума и приблизить нас к практической реализации квантового компьютера. Таким образом, в течение последних 20 лет все исследования аппаратного обеспечения квантовых компьютеров были направлены на поиск более быстрых вентилей. Сверхбыстрый затвор в 6,5 наносекунд, полученный в результате этого исследования с использованием аппаратного обеспечения холодного атома, более чем на два порядка быстрее шума и, таким образом, может игнорировать его эффекты. Предыдущий мировой рекорд составлял 15 наносекунд, установленный искусственным интеллектом Google в 2020 году с помощью сверхпроводящих схем.
Экспериментальный метод
Эксперимент проводился с использованием атомов рубидия. Во-первых, два атома рубидия в газовой фазе, охлажденной до сверхнизкой температуры около 1/100 000 Кельвина с помощью лазерных лучей, располагались с микронным интервалом с помощью оптического пинцета . Затем исследователи облучали их ультракороткими лазерными импульсами, излучающими свет всего 1/100 миллиардной доли секунды, и наблюдали за происходящими изменениями. Два электрона, захваченные соответственно на наименьших орбиталях (5S) двух соседних атомов (атома 1 и атома 2), были выбиты на гигантские электронные орбитали (орбитали Ридберга, здесь 43D). Затем взаимодействие между этими гигантскими атомами приводило к периодическому возвратно-поступательному обмену формой орбиты и энергией электрона, происходящему с периодом 6,5 наносекунд.
После одного колебания законы квантовой физики диктуют, что знак волновой функции меняется, таким образом реализуя вентиль с двумя кубитами (вентиль с управляемым Z). Используя это явление, они выполнили операцию квантового вентиля с использованием кубита (рис. 2), в котором электронное состояние 5P является состоянием «0», а электронное состояние 43D является состоянием «1». Атомы 1 и 2 были приготовлены как кубиты 1 и 2 соответственно, а энергообмен индуцировался с помощью ультракороткого лазерного импульса. В течение одного цикла энергообмена знак состояния суперпозиции кубита 2 менялся только тогда, когда кубит 1 находился в состоянии «1» (рис. 3). Исследовательская группа экспериментально наблюдала этот переворот знака, продемонстрировав, что двухкубитный вентиль может работать за 6,5 наносекунды, что является самым быстрым в мире.
Ожидается, что реализация самого быстрого в мире сверхбыстрого затвора, достигнутого на этот раз с помощью совершенно нового метода «манипулирования двумя атомами с микронным интервалом, охлажденными почти до абсолютного нуля, с помощью сверхбыстрого лазера», значительно привлечет внимание всего мира к оборудованию для холодных атомов.
