Квантовые технологии сегодня развиваются стремительными темпами, обеспечивая революционные возможности в вычислительной мощности, точности измерений и коммуникациях. Одной из основных преград к масштабированию квантовых компьютеров и других квантовых устройств является устойчивое сохранение когерентности большого числа кубитов в течение продолжительного времени. В мае 2025 года был опубликован революционный экспериментальный результат, в котором учёным удалось реализовать непрерывную когерентную работу системы из более чем 3000 кубитов на базе нейтральных атомов. Этот прорыв может стать ключевым рубежом в построении масштабируемых, надёжных и управляемых квантовых вычислительных устройств и других приложений в квантовой науке и технике. Нейтральные атомы давно считаются перспективным платформенным решением для квантовых вычислений и квантовых симуляций благодаря своей высокой степени контроля, возможности масштабирования и сравнительно низкому уровню ошибок.
Однако стандартные подходы ограничены так называемым импульсным режимом работы, когда из-за потерь атомов система должна периодически перезагружаться. Эти паузы снижают производительность и ограничения для реализации больших квантовых алгоритмов и длительных вычислительных циклов. Экспериментальная архитектура, представленная в статье, полностью меняет правила игры. Она основана на инновационной методике непрерывного пополнения и обслуживания квантовой системы без прерываний, сохраняя когерентность уже размещённых кубитов. Для этого была применена двойная система оптических решёток, которые реализуют транспорт атомных резервуаров в "научную" область, где атомы захватываются оптическими пинцетами в подготовительной зоне, охлаждаются, сортируются и инициализируются в необходимые состояния кубитов.
Затем подготовленные кубиты перемещаются в основную зону хранения, где их когерентность поддерживается с помощью динамического подавления декогерентности. Уникальный подход заключается в том, что происходит одновременная и неперерывная загрузка новых атомов в подготовительную зону и поддержание основной массивной квантовой памяти из более 3000 атомов. Использование "тёмной" загрузки - процесса, при котором атомы попадают в ловушки без дополнительного лазерного охлаждения - позволяет избежать разрушительного рассеяния фотонов, что обычно ухудшает когерентность близлежащих квантовых состояний. Механика системы построена следующим образом: атомы 87Rb лазерным охлаждением загружаются в первую оптическую решётку (Lattice-1) в зоне магнито-оптической ловушки (MOT). Затем атомный облак последовательно транспортируется с помощью двух конвейерных решёток по специальному каналу с давлением и световым фильтром до науки камеры.
Здесь применяются перпендикулярные акустооптические дефлекторы (АОД) для выборочной загрузки атомов в массив динамических оптических пинцетов. Процесс повторяется с высокой частотой, обеспечивая поток порядка 300 000 атомов в секунду. Процедура инициализации кубитов включает лазерное оптическое перекачку в определённое базисное состояние, параллельную лазерную куллинговую обработку с использованием поляризационного градиента и электромагнитно-индуцированного прозрачного охлаждения. Высококонтрастное флуоресцентное изображение позволяет практически безошибочно выявлять загруженные ловушки для последующей сортировки. Благодаря оптимизированным программным алгоритмам сортировки, достигается заполнение подготовительной зоны кубитами с эффективностью 99,6%, а в зоне хранения - до 98,5%, что является беспрецедентным уровнем.
Ключевой инновацией является выполнение динамического декогерентного подавления с помощью последовательности XY16, увеличивающей время когерентного хранения кубитов до порядка одной секунды и более. Также применена методика светового сдвига возбуждённого состояния (shielding), снижающая рассеяние ещё более, позволяя параллельно работать с лазерным охлаждением и фотоимиджингом в подготовительной зоне без ухудшения когерентности в зоне хранения. Долговременное экспериментальное поддержание массива из более 3000 атомов происходит за счёт цикличного удаления и пополнения "старых" подмассива свежезагруженными кубитами с периодичностью в 80 миллисекунд. При этом разрядка и зарядка подмассивов выполняется параллельно с работой оптической решётки и магнитно-оптической ловушки, тем самым обеспечивается беспрерывный режим функционирования. Сроки хранения существенно превышают собственную жизнь атомов в ловушках, гарантируя возможность неограниченной длительной работы.
Перспективы применения этой новой технологии огромны. Прежде всего - квантовые компьютеры с глубиной счёта, значительно превышающей прерываемые текущие решения. Это означает возможность работы с надёжным квантовым кодированием и исправлением ошибок, что необходимо для практического квантового превосходства. Кроме того, длительное когерентное хранение атомов служит ключом к развитию сверхточных оптических атомных часов, улучшая их стабильность и уменьшая вклад шума, связанного со временем простоя (так называемый Dick noise). Это также открывает новые возможности для квантовых сенсоров, сетей и симуляторов.
Постоянное пополнение квантовых ресурсов способствует быстрому и надёжному созданию запутанных состояний, необходимых для высокопроизводительных приложений. В квантовых сетях постоянный поток удалённо запутанных битов позволит значительно ускорить процессы передачи и обработки информации, что приблизит нас к глобальным квантовым коммуникациям. Исследование подробно описывается и в технических аспектах - от вакуумных систем с дифференциальным насосом и оптических систем с высокой апертурой до сложных схем генерации оптических пинцетов с использованием пространственных световых модуляторов (SLM) и АОД. Обеспечена автоматизированная калибровка, коррекция аберраций и гомогенизация ловящей мощностью по всему массиву, что критично для равномерной работы системы. Одним из важных достижений эксперимента является разработка программного обеспечения и электроники для управления системой со сверхмалой задержкой и высокой точностью.
Использование Field Programmable Gate Array (FPGA) позволяет минимизировать латентность при реализации алгоритмов сортировки и нанесения управляющих импульсов. Активная стабилизация лазерных импульсов и их интенсивности поддерживает постоянное качество квантовых операций в реальном времени. Невзирая на все успехи, в статье отмечается возможность дальнейшего улучшения системы. Сокращение времени подготовки кубитов за счёт оптимизации алгоритмов сортировки, расширение подготовительной зоны, усиление мощности ловчих лазеров, применение передовых дифракционных оптик, таких как метаповерхности, а также улучшение стабильности систем оптических элементов позволят скейлить систему до десятков тысяч кубитов и выше. В целом, результаты исследования представляют собой значимый шаг вперёд в направлении создания полноценных больших квантовых процессоров с возможностью непрерывной работы.
Это позволит преодолеть фундаментальные ограничения, связанные с потерями атомов и ограниченной продолжительностью когерентности, повысит производительность квантовых вычислений и расширит спектр квантовых приложений. Подход гармонично интегрируется в схему зонального квантового компьютера с использованием Ридберговских взаимодействий для реализации двухкубитных вентилей, эффективного управления и динамического реорганизования квантовых ресурсов. Новые горизонты, открываемые этой технологией, касаются не только вычислений, но и точных измерений и квантовых коммуникаций. Постоянно пополняемый массив квантовых битов даст возможность создавать ультрастабильные атомные часы, повысить скорость и качество квантового сенсинга, а также обеспечить высокоскоростную генерацию запутанности в квантовых сетях. Этот универсальный инструмент с высокой степенью контроля и масштабируемости может стать основой для будущих инновационных квантовых систем и приложений.
Непрерывная когерентная работа тысячекубитной системы - это не просто технологический успех, но и фундаментальное достижение для всей квантовой науки. Это открывает новые пути к построению квантовых компьютеров, способных решать задачи поистине классического масштаба, что раньше считалось недостижимым. Совокупность инженерных и физических решений, встроенных в данную систему, служит маяком для следующего поколения исследователей и инженеров на пути к глобальному квантовому будущему. .
