Современные квантовые технологии стремительно развиваются, открывая новые горизонты в области вычислений, симуляций и измерений. Одним из наиболее перспективных направлений является применение нейтральных атомов в качестве носителей информации, способных формировать кубиты - фундаментальные единицы квантовой информации. Недавним значительным достижением на этом пути стала реализация системы из 3000 кубитов, способной функционировать в непрерывном режиме с сохранением когерентности, что открывает дорогу к более масштабным и устойчивым квантовым вычислениям. Квантовые системы, основанные на нейтральных атомах, заслуженно считаются одними из самых многообещающих благодаря своей универсальности и стабильности. В отличие от систем с ионами или сверхпроводниками, нейтральные атомы обладают естественной изоляцией от окружающей среды, что снижает количество ошибок при работе с кубитами.
Однако одним из ключевых препятствий для дальнейшего масштабирования таких систем остаётся вопрос потери атомов - во время работы квантовой системы отдельные частицы могут покидать ловушки, что приводит к деградации вычислительной цепочки и нарушению когерентности. В традиционных экспериментах нейтральные атомные массивы работают в импульсном режиме, где после серии квантовых операций необходима повторная перезагрузка массива из-за потерь. Такой подход ограничивает возможность выполнения масштабных задач, требующих глубоких квантовых цепочек с многочисленными операциями, особенно учитывая необходимость исправления ошибок посредством квантовой коррекции. Переключение между подготовкой и вычислительной фазами создаёт задержки и снижает эффективность работы системы. Новаторская архитектура, разработанная недавно, предлагает уникальное решение этой проблемы за счёт внедрения системы двойных оптических решёток, функционирующих как конвейеры для непрерывной доставки свежих атомов в рабочую область.
Этот подход обеспечивает скорость перезагрузки порядка сотен тысяч атомов в секунду с возможностью инициализации и манипуляции квбитами без прерывания работы основной вычислительной сети. Такая организация жидкости атомного потока позволяет формировать и поддерживать массив из более чем 3000 атомов, гарантирующий высокую заполненность и когерентность на протяжении нескольких часов. Материальной основой данного эксперимента послужили оптические ловушки (оптические пинцеты) и решётки, создаваемые с помощью лазерного излучения, с точнейшим контролем положения и состояния каждого атома. Наличие двух зон - зона подготовки и зона хранения - позволяет управлять каждым этапом работы с атомами: загрузка из резервуара, охлаждение, считывание и инициализация кубитов, а затем транспортировка уже подготовленных атомов в основной массив для вычислений. Важной необходимостью стало обеспечение защиты квбитов, находящихся в зоне хранения, от рассеянного света и влияния лазерных процессов в зоне подготовки, что было достигнуто благодаря грамотному формированию световых полей и использованию специальных методов светового смещения.
Ключевым техническим прорывом стала возможность загружать атомы в оптические пинцеты "в темноте", то есть без применения лазерного охлаждения в момент захвата. Это позволило сохранить когерентность квбитов, расположенных рядом, и упростило процедуру загрузки, делая процесс практически беспрерывным. После захвата атомы подвергаются коротким импульсам лазерного охлаждения и выстраиваются в практически бездефектную структуру с помощью быстро работающих алгоритмов перестановки, что обеспечивает высокий процент заполнения. Использование продвинутых методов динамического отслеживания и компенсации влияния окружающей среды, например, динамическое подавление декогеренции, позволило значительно увеличить время когерентного хранения квбитов в массиве до порядка секунды и более. При этом сохраняется возможность локальных операций с кубитами и их считывания без существенного ухудшения когерентности соседних квбитов.
Выполнение непрерывной работы с таким массивом нейтральных атомов открывает путь к реализации квантовых процессоров с тысячами и даже десятками тысяч кубитов, способных работать с глубокими квантовыми цепочками. Одним из главных преимуществ данной архитектуры является возможность замены утерянных кубитов по мере необходимости, что позволяет применять многократные циклы квантовой коррекции ошибок и добиваться устойчивой работы квантового компьютера. Кроме того, данная технология важна для развития квантовой метрологии. Постоянная работа квантовых систем без "мертвого" времени увеличивает стабильность и точность часовых систем и сенсоров, а также помогает снизить так называемый шум Дика, значительно ограничивающий современные оптические часы. Предоставляя непрерывный поток свежих кубитов, такое устройство также облегчает генерацию и распространение запутанных состояний для задач квантовой связи и сетей.
Стоит отметить, что несмотря на достигнутые успехи, дальнейшее развитие данной системы предполагает сокращение времени подготовки новополученных квбитов, расширение зон подготовки и хранения с использованием более мощных лазерных источников и более эффективной оптики. Фундаментальная совместимость представленной архитектуры с современными методами контроля и запутывания атомов в зоне хранения создаёт возможности для масштабирования до уровне, превосходящем десятки тысяч кубитов. Реализация непрерывно работающей системы с 3000 кубитами демонстрирует значительный шаг вперёд на пути к созданию полноценных, устойчивых и масштабных квантовых компьютеров, способных решать задачи, недоступные классическим машинам. Эта работа подкрепляет перспективы нейтральноатомных платформ в качестве одной из ведущих технологий будущего квантовых вычислений и измерений. В дополнение к непосредственным результатам, описанная архитектура и методы являются важным технологическим фундаментом для реализации логических кубитов с низкими ошибками, использования кодов с низкой плотностью проверок и построения модульных квантовых систем с высокой степенью контроля и адаптивности.
Интеграция таких систем с быстроразвивающимися алгоритмами управления и искусственным интеллектом позволит ускорить работу с большими квантовыми массивами и повысить производительность квантовых вычислений. В целом, созданный эксперимент - это не только демонстрация технических возможностей, но и важный этап в развитии целого класса квантовых устройств с постоянно действующими большими массивами кубитов. Он формирует основу для будущих исследований в области квантовой информации, квантовых симуляций сложных материалов и молекул, а также дает надежду на практическое внедрение квантовых вычислений в самые разные сферы человеческой деятельности. Новый уровень управления и поддержания когерентности в многокубитных нейтральноатомных системах открывает перспективы для иных приложений, включая высокоточные квантовые сенсоры, которые могут находить применение в навигации, медицинской диагностике и фундаментальной физике. Также возможности постоянной работы квантовых систем расширяют границы исследования квантовых фаз и переходов в природе.
Таким образом, переход от импульсного к непрерывному режиму работы в больших квантовых системах является одним из ключевых шагов на пути к зрелости квантовых технологий и приближению к эпохе квантового превосходства. .
