Квантовые технологии стремительно развиваются, предлагая революционные возможности в вычислительной мощности, измерениях и передаче информации. Центральным элементом этих технологий являются квантовые биты, или кубиты, которые могут находиться в суперпозиции состояний и обеспечивают экспоненциальное ускорение по сравнению с классическими битами. Однако одной из серьезных проблем в создании крупных квантовых систем является сохранение когерентности и стабильности одновременно большого количества кубитов. Недавнее достижение в виде непрерывной работы когерентной системы с 3000 кубитами на базе нейтральных атомов обозначает прорыв, способный сильно повлиять на развитие квантовых вычислений и других областей квантовой науки. Нейтральные атомы давно рассматриваются как перспективная платформа для реализации кубитов и создания квантовых систем.
Их преимущества включают природную идентичность атомов, хорошо изученные уровни энергии и возможность точного управления при помощи лазерного излучения. Тем не менее, одной из главных трудностей является то, что атомы могут теряться из ловушек, что традиционно ограничивает работу систем в импульсном режиме. Такой режим работы снижает эффективность, ограничивает глубину квантовых цепочек и увеличивает время измерений в квантовой метрологии. Новейшая архитектура, основанная на двух последовательных оптических решетках-конвейерах и массиве оптических пинцетов, позволяет доставлять лазерно охлажденные атомы в научную зону, где происходит непрерывная загрузка, подготовка и манипуляция кубитами при сохранении их когерентности. Это достигается путем высокоскоростной перезагрузки атомов с достижением порядка 30 000 свежезагруженных кубитов в секунду, что почти на два порядка превосходит ранние методы.
Важным аспектом является возможность создания и поддержания массива из более чем 3000 атомов в течение нескольких часов, что значительно превышает время жизни ловушек атомов. Техническая реализация включает в себя два оптических решеточных конвейера, которые транспортируют атомное облако из зоны магнитно-оптической ловушки (MOT) в научную камеру через специальную дифференциальную камеру с пониженным давлением, что позволяет снизить влияние света от захватывающего MOT на соседние зоны с кубитами. В научной камере второй конвейер создает плотный атомный резервуар, из которого оптические пинцеты "в темноте" без дополнительного лазерного охлаждения извлекают атомы. Последовательные операции включают лазерное охлаждение, высококонтрастное изображение, перестановку атомов в бездефектный массив и инициализацию в состояния кубитов. Особое внимание уделено сохранению когерентности квантового состояния.
Ключевым элементом выступает защита кубитов от рассеянного света, связанного с лазерным охлаждением других атомов, за счет введения "экранирующего" лазера, изменяющего энергетические уровни возбужденных состояний и тем самым уменьшающего вероятность фотонного рассеяния. Применение динамического развязывания (dynamical decoupling) помогает предотвратить декогерентность, увеличивая время сохранения квантовой информации до порядка секунды для T2 и длительнее для T1, что является впечатляющим результатом для такой масштабной системы. Используемый подход позволяет не только регулярно заменять потерянных атомов в массиве, но и делать это параллельно с манипуляциями с уже существующими кубитами. Быстрая перезагрузка способствует непрерывной работе системы, решая основную проблему ограниченности времени жизни атомных кубитов. Кроме того, архитектура зоны разделения - подготовка, хранение и резервуар - минимизирует влияние операций по загрузке и охлаждению на когерентность сохраненных кубитов.
Перспективы использования такой непрерывной крупномасштабной системы очень широки. Во-первых, в области квантовых вычислений возможность заменять потерянные физические кубиты в реальном времени - это важный элемент построения исправляемых ошибок значимых квантовых процессоров. Возможности по быстрому контролю более чем трех тысяч кубитов тесно связаны с требованиями к реалистичным квантовым алгоритмам, требующим миллиардов последовательных операций с низкими ошибками. При этом поддержание когерентности на уровне секунды способствует глубине квантовых цепочек, необходимой для реализации сложных задач. Во-вторых, данный подход открывает новые горизонты для квантовой метрологии.
Оптические атомные часы и датчики гравитации на нейтральных атомах выиграют от непрерывной работы и уменьшения "мертвого времени" измерений. Это позволит повысить стабильность и точность измерений за счет уменьшения эффекта так называемого шума Дика, который ограничивает существующие системы. Также непрерывный поток кубитов жизненно необходим в квантовой сети для быстрой генерации удаленной спутанной связи, необходимой для масштабируемого квантового интернета. Наличие архитектуры с высокой скоростью доставки и подготовки свежих атомных кубитов при сохранении когерентности способствует реализации протоколов дистанционного связывания и коррекции ошибок в сетевых узлах. На техническом уровне вызовы, решенные в эксперименте, включают создание большого и стабильного массива оптических пинцетов с шириной луча около 800 нанометров и эффективное управление с использованием фазовых пространственных модуляторов (SLM) и акусто-оптических дефлекторов (AOD).
Автоматическое калибрование позиций и интенсивности пинцетов обеспечивает равномерность ловушек и высокую загрузку. Эффективные алгоритмы перестановки атомов с минимальной длительностью операций оптимизируют время подготовки без снижения целевой заполненности массива. Еще одним значимым элементом является двусторонняя архитектура транспортировки атомов, которая позволяет одновременно выполнять загрузку нового резервуара и экстракцию атомов для непрерывной работы. Такое параллельное управление рационально использует экспериментальное время и ресурсы, повышая общую пропускную способность системы и обеспечивая устойчивость к потерям. В будущем дальнейшее развитие этой технологии может включать улучшение скорости и качества перестановок, оптимизацию времени инициализации кубитов, а также расширение числа одновременно управляемых квантовых состояний.
Использование современных методов искусственного интеллекта и программируемых логических схем (FPGA) поможет ускорить анализ данных и адаптивное управление. Также применение более мощного лазерного оборудования и оптических элементов следующего поколения, например метаповерхностей, позволит масштабировать системы до десятков тысяч кубитов и выше, открывая возможности для полноценных квантовых процессоров и улучшенных метрологических установок. Таким образом, достижения в области непрерывной работы когерентных квантовых систем на базе нейтральных атомов размером в несколько тысяч кубитов знаменуют собой важный этап в развитии квантовой технологии. Возможности, появившиеся благодаря этому прорыву, имеют потенциал радикально изменить наш подход к вычислениям, измерениям и коммуникациям, приближая нас к эре практического и надежного квантового оборудования. .
