Квантовые компьютеры будут нуждаться в большом количестве кубитов для решения сложных задач в физике, химии и других областях. В отличие от классических битов, кубиты могут существовать в двух состояниях одновременно — это явление называется суперпозицией. Эта особенность квантовой физики даёт квантовым компьютерам потенциал для выполнения определённых сложных вычислений лучше, чем их классическим аналогам, но также означает, что кубиты хрупкие. Чтобы компенсировать это, исследователи создают квантовые компьютеры с дополнительными, резервными кубитами для исправления любых ошибок. Поэтому для надёжных квантовых компьютеров потребуются сотни тысяч кубитов.
Калифорнийские физики из Калифорнийского технологического института (Caltech) создали самый большой массив кубитов, когда-либо собранный: 6100 кубитов, основанных на нейтральных атомах, удерживаемых в сетке с помощью лазеров. Предыдущие массивы такого рода содержали всего несколько сотен кубитов.
Этот рубеж достигнут в условиях стремительно растущей гонки за масштабированием квантовых компьютеров. В разработке находятся несколько подходов, в том числе основанные на сверхпроводящих схемах, захваченных ионах и нейтральных атомах, как это использовано в новом исследовании.
«Это захватывающий момент для квантовых вычислений с нейтральными атомами», — говорит Мануэль Эндрес, профессор физики в Калтехе. «Теперь мы видим путь к созданию больших квантовых компьютеров с коррекцией ошибок. Строительные блоки уже на месте». Эндрес является главным исследователем исследования, опубликованного сегодня в журнале Nature. Три аспиранта Калифорнийского технологического института — Ханна Манетш, Гёхей Номура и Эли Батайи — возглавляли исследование.
Команда использовала оптические пинцеты — высокофокусированные лазерные лучи — для удержания тысяч отдельных атомов цезия в сетке. Чтобы создать массив атомов, исследователи разделили лазерный луч на 12 000 пинцетов, которые вместе удерживали 6100 атомов в вакуумной камере. «На экране мы можем видеть каждый кубит как точку света», — говорит Манетш. «Это поразительное изображение квантового оборудования в большом масштабе».
Ключевым достижением стало то, что увеличение масштаба не привело к снижению качества. Даже с более чем 6000 кубитами в одном массиве команда удерживала их в суперпозиции около 13 секунд — почти в 10 раз дольше, чем это было возможно в предыдущих подобных массивах — при этом манипулируя отдельными кубитами с точностью 99,98%.
«Считается, что увеличение масштаба за счёт большего количества атомов часто происходит в ущерб точности, но наши результаты показывают, что мы можем добиться и того, и другого», — говорит Номура. «Кубиты бесполезны без качества. Теперь у нас есть и количество, и качество».
Команда также продемонстрировала, что может перемещать атомы на сотни микрометров по массиву, сохраняя при этом суперпозицию. Способность перемещать кубиты является ключевой особенностью квантовых компьютеров с нейтральными атомами, которая обеспечивает более эффективную коррекцию ошибок по сравнению с традиционными, жёстко запрограммированными платформами, такими как сверхпроводящие кубиты.
Манетш сравнивает задачу перемещения отдельных атомов с сохранением их в состоянии суперпозиции с балансировкой стакана воды во время бега. «Попытка удержать атом при перемещении похожа на то, чтобы не дать стакану с водой опрокинуться. Попытка также сохранить атом в состоянии суперпозиции — это как стараться не бежать так быстро, чтобы вода не выплеснулась», — говорит она.
Следующей важной вехой для этой области является реализация квантовой коррекции ошибок в масштабе тысяч физических кубитов, и эта работа показывает, что нейтральные атомы являются сильным кандидатом для достижения этой цели.
«Квантовым компьютерам придётся кодировать информацию таким образом, чтобы она была устойчива к ошибкам, чтобы мы могли реально выполнять ценные вычисления», — говорит Батайи. «В отличие от классических компьютеров, кубиты нельзя просто скопировать из-за так называемой теоремы о запрете клонирования, поэтому коррекция ошибок должна опираться на более тонкие стратегии».
Заглядывая в будущее, исследователи планируют связать кубиты в своём массиве в состоянии запутанности, где частицы становятся коррелированными и ведут себя как единое целое. Запутанность — это необходимый шаг для того, чтобы квантовые компьютеры могли выйти за рамки простого хранения информации в суперпозиции; запутанность позволит им начать выполнять полноценные квантовые вычисления. Именно она придаёт квантовым компьютерам их конечную мощь — способность моделировать саму природу, где запутанность формирует поведение материи в каждом масштабе.
Цель ясна: использовать запутанность для открытия новых научных открытий, от выявления новых фаз материи до проектирования новых материалов и моделирования квантовых полей, управляющих пространством-временем.
«Это захватывающе, что мы создаём машины, которые помогут нам узнать о Вселенной такими способами, которые может предложить только квантовая механика», — говорит Манетш.
Предоставлено Калифорнийским технологическим институтом