Блог

May 27, 2023

Оптический эффект выводит квантовые вычисления с атомными кубитами на новое измерение

1 июня 2023 г. Эта статья

1 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Технический университет Дармштадта

Физики из Дармштадта разработали метод, который может преодолеть одно из самых больших препятствий на пути создания практически значимого квантового компьютера. Они используют оптический эффект, открытый британским пионером фотографии Уильямом Талботом в 1836 году. Команда под руководством Малте Шлоссера и Герхарда Биркла ​​из Института прикладной физики Технического университета Дармштадта представляет этот успех в журнале Physical Review Letters.

Квантовые компьютеры способны решать некоторые задачи гораздо быстрее, чем суперкомпьютеры. Однако до сих пор существовали только прототипы с максимум несколькими сотнями «кубитов». Это основные единицы информации в квантовых вычислениях, соответствующие «битам» в классических вычислениях. Однако, в отличие от битов, кубиты могут обрабатывать два значения «0» или «1» одновременно, а не одно за другим, что позволяет квантовым компьютерам выполнять множество вычислений параллельно.

Квантовые компьютеры со многими тысячами, если не несколькими миллионами кубитов, потребуются для практических приложений, таких как оптимизация сложных транспортных потоков. Однако добавление кубитов требует ресурсов, таких как мощность лазера, что до сих пор препятствовало развитию квантовых компьютеров. Команда из Дармштадта теперь показала, как оптический эффект Тальбота можно использовать для увеличения количества кубитов с нескольких сотен до более чем десяти тысяч, не требуя при этом дополнительных ресурсов.

Кубиты могут быть реализованы по-разному. Например, технологические гиганты, такие как Google, используют искусственно изготовленные сверхпроводящие элементы схемы. Однако отдельные атомы также отлично подходят для этой цели. Чтобы целенаправленно управлять ими, одноатомные кубиты должны располагаться в регулярной решетке, похожей на шахматную доску.

Физики обычно используют для этого «оптическую решетку» из регулярно расположенных точек света, которая образуется при пересечении лазерных лучей. «Если вы хотите увеличить количество кубитов в определенный коэффициент, вам также придется соответственно увеличить мощность лазера», — объясняет Биркл.

Его команда производит оптическую решетку инновационным способом. Они светят лазером на стеклянный элемент размером с ноготь, на котором расположены крошечные оптические линзы, похожие на шахматную доску. Каждая микролинза связывает небольшую часть лазерного луча, создавая тем самым плоскость фокальных точек, в которой могут удерживаться атомы.

Теперь сверху возникает эффект Тальбота, что до сих пор считалось неприятностью: слой фокусных точек повторяется несколько раз через равные промежутки времени; создаются так называемые «самообразы». Таким образом, оптическая решетка в 2D становится единой в 3D, в которой во много раз больше точек света. «Мы получаем это бесплатно», — говорит Мальте Шлоссер, ведущий автор работы. Он имеет в виду, что для этого не требуется никакой дополнительной мощности лазера.

Высокая точность изготовления микролинз приводит к очень регулярному расположению собственных изображений, которые можно использовать для кубитов. Исследователям действительно удалось загрузить дополнительные слои отдельными атомами. При заданной мощности лазера было создано 16 таких свободных слоев, что потенциально позволяет создать более 10 000 кубитов. По словам Шлоссера, в будущем с помощью обычных лазеров можно будет увеличить мощность в четыре раза.

«Поле микролинз также можно дополнительно оптимизировать», — объясняет Биркл, например, путем создания большего количества фокусных точек с помощью линз меньшего размера. Таким образом, в обозримом будущем станет возможным создание 100 000 кубитов и более. Масштабируемость количества кубитов, продемонстрированная командой, представляет собой важный шаг на пути к разработке практичных квантовых компьютеров.