Развитие квантовых технологий стремительно движется вперед, открывая беспрецедентные перспективы в вычислениях, моделировании и точных измерениях. Одним из ключевых вызовов в построении практически значимых квантовых устройств является обеспечение стабильной работы большого числа квантовых битов - кубитов. В этой связи важнейшим прорывом стала демонстрация непрерывной работы когерентной системы, состоящей из более чем 3000 кубитов, основанной на нейтральных атомах. Это достижение способно коренным образом изменить подходы к квантовым вычислениям, квантовой метрологии и сетям, открывая дорогу к масштабируемым, отказоустойчивым и высокопроизводительным квантовым системам. Технология нейтральных атомов долгое время рассматривалась как перспективная платформа для квантовых вычислений и симуляций благодаря высокой когерентности, точному контролю и возможностям масштабирования.
Однако одной из главных проблем оставалась потеря атомов в процессе работы, что ограничивало системы лишь периодическим режимом работы с перезагрузкой. Потери атомов происходят из-за ошибок при запутывании, считывании и ограниченного времени удержания в ловушке. Такой дискретный режим создаёт узкие места, ограничивает длительность квантовых алгоритмов и снижает стабильность таких приложений, как атомные часы и квантовые сети. Реализация непрерывной работы системы требует эффективного механизма быстрого и стабильного пополнения квантовых кубитов без разрыва когерентности уже распространённых в массиве состояний. Для решения этой задачи была разработана инновационная архитектура, использующая серию из двух оптических конвейерных решёток, которые транспортируют резервные атомы в рабочую зону.
Оттуда атомы извлекаются оптическими пинцетами и направляются в подготовительную зону, где происходит лазерное охлаждение, инициализация и перестановка с целью создания бездефектного массива кубитов. Затем подготовленные атомы транспортируются в зону хранения, где применяется динамическое подавление декогеренции с целью поддержания когерентности на длительных временных интервалах. Особенностью данной архитектуры является возможность многократного извлечения атомов из одного резервуара с высоким темпом - порядка 300 000 атомов в секунду - при этом не применяя лазерное охлаждение в процессе перезагрузки, что минимизирует рассеяние фотонов и сохраняет когерентность соседних кубитов. Такая беспрерывная замена позволяет поддерживать заполненность массива из более 3000 атомов на протяжении многих часов, значительно превышая естественное время удержания атомов в ловушках, которое составляет около 60 секунд. Для контроля когерентности в присутствии активного резервуара и процессов подготовки отдельных кубитов применяется система светового сдвига возбуждённых уровней атомов, которая эффективно "экранирует" кубиты от близко расположенного лазерного света, используемого в подготовительной и резервуарной зонах.
Данный метод обеспечивает сохранение времени когерентности T2 на уровне более одной секунды, что является выдающимся показателем для систем подобного масштаба. Значимость этой разработки трудно переоценить. Непрерывная, масштабируемая квантовая система способна поддерживать работу глубоких квантовых схем, необходимых для реализации что называется "факторизационных" и иных сложных алгоритмов. В дополнение, такая архитектура естественным образом совместима с протоколами квантовой коррекции ошибок, позволяя исправлять ошибки кубитов и заменять потерянные элементы без прерывания вычислительных процессов. Это открывает возможности для создания отказоустойчивых квантовых процессоров с тысячами физических кубитов, устойчивых к шуму и ошибкам.
Применение полученных результатов выходит далеко за рамки квантовых вычислений. Атомные часы следующего поколения, реализуемые на основе атомных массивов с непрерывной работой, обещают значительно повысить стабильность и точность измерений времени, устраняя такие ограничения, как так называемый "шум Дика", возникший вследствие периодического измерения. Аналогично, высокочастотные квантовые датчики и сенсоры смогут работать с повышенной пропускной способностью, напрямую выигрывая от постоянного обновления квантового состояния атомов. Кроме того, непрерывный поток квантовых состояний, генерируемых в системе, найдет важное применение в квантовых сетях для быстрого создания удаленного запутанного состояния между узлами, что критично для масштабирования квантовой коммуникации. Такой подход даст мощный импульс развитию глобальной квантовой инфраструктуры, включая её применение в области безопасной передачи данных и распределенного квантового вычисления.
Отдельно стоит отметить технические инновации, реализованные в экспериментальной установке. Использование SLM-модуляторов для формирования статических массивов пинцетов и АОД-устройств для динамического управления положением атомов позволяет добиваться высокой точности позиционирования (до 65 нанометров), важной для сокращения влияния перекрестных помех между соседними кубитами. Параллельное использование двух транспортных оптических решёток, направленных под углом, не только увеличивает скорость перезагрузки, но и снижает оптические помехи между различными зонами системы. Обеспечение одновременного лазерного охлаждения, подготовки и чтения кубитов при фиксированном внешнем магнитном поле позволяет избежать временных простоев, связанных с перенастройкой условий, тем самым ускоряя процессы и повышая эффективность работы всей системы. Система управления сигналами с прецизионным АЦП и использованием программируемых логических устройств обеспечивает синхронизацию и стабильность оперативных операций даже при длительной работе без остановок.
Дальнейшие направления развития включают улучшение скорости и качества перестановки атомов и подготовительных операций с помощью алгоритмов искусственного интеллекта, увеличение размеров подготовительной зоны для более высокой производительности и применение высокоэффективных фазовых масок и метаповерхностей для масштабного создания ловушек с минимальными потерями мощности лазера. Таким образом, достижение непрерывной операции когерентной системы на 3000 квантовых битах является ключевым шагом к созданию практических квантовых решений с качественно новым уровнем масштабируемости и надежности. Интеграция таких технологий в будущие квантовые вычислительные устройства, датчики и сети позволит сделать гигантский скачок в производительности и функциональности, приближая эпоху квантовых технологий в реальный мир. .
