Den fejlfri samling af 2-D klynger med over 100 enkeltatoms kvantesystemer

Forskere ved Technische Universität Darmstadt har for nylig demonstreret fejlfri samling af alsidige målmønstre for op til 111 enkelt-atom kvante systemer. Deres fund, beskrevet i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , kunne drive monterede atomarkitekturer ud over tærsklen til kvantefordel, baner vejen for nye gennembrud inden for kvantevidenskab og teknologi.

"Vores forskning er drevet af den observation, at fysiske videnskaber er midt i et paradigmeskift, hvor anvendelsen af ​​kvantefysik, dvs. kvanteteknologier, bliver de førende teknologier i den nærmeste fremtid, "Gerhard Birkl, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "En omfattende liste over applikationer er allerede forudsigelig, men jeg er overbevist om, at vi for de fleste applikationer ikke engang er klar over det."

Det næste trin inden for kvantevidenskab og teknologi er udviklingen af ​​eksperimentelle platforme, der tilbyder omfattende skalerbarhed, multisite kvantekorrelationer og effektiv kvantefejlkorrektion. I løbet af det sidste århundrede eller deromkring, forskere har udført en betydelig mængde arbejde med enkeltkvante systemer, lægger grundlaget for den aktuelle udvikling. Atomiske kvantesystemer har spillet en nøglerolle i disse undersøgelser, især neutrale atomer fanget af lys, da de giver velisolerede kvantesystemer med gunstig skalering.

"For de kommende generationer af kvanteteknologier, går til flere kvante systemer, dvs. opskalering af systemstørrelsen er afgørende, "Af denne grund gav vi os selv direktivet om at udvikle en ny platform, der giver stærkt skalerbare arkitekturer til atomare kvantesystemer med fuld kontrol over alle relevante parametre til avancering af state-of-the-art kvanteteknologier."

Når de udvikler det teknologiske grundlag for deres eksperiment, Birkl og hans elever, der var involveret i undersøgelsen, fokuserede på laserkølede neutrale atomer med optiske fælder, da disse nyder godt af videnskabelige gennembrud fra de seneste 25 år. Disse gennembrud omfatter laserkøling og fældning, Bose-Einstein kondens, manipulation af individuelle kvantesystemer, og optisk pincet.

"Endelig, vi indså, at kombinationen af ​​disse videnskabelige udviklinger med avancerede optiske teknologier som f.eks. mikrofabrikation af store anordninger af mikrolinser skaber en ideel platform til fremme af skalerbare kvanteteknologier, "Birkl sagde." Centralt i vores arbejde er, at vi anvender en ny eksperimentel arkitektur, hvor vi genererer et 2-D-mønster af optiske fælder for neutrale atomer baseret på 2-D-arrays af mikrolinser. "

Ved at bruge en stor laserstråle, der belyser mange linser, forskerne var i stand til at generere flere laserfælder samtidigt. De genererede op til 400 af disse fælder parallelt og kunne derefter adressere dem individuelt.

Deres eksperiment havde flere trin. Birkl og hans kolleger startede med at skabe en sky af rubidiumatomer i et rumtemperatur vakuumsystem, ved hjælp af en magneto-optisk fælde (MOT). Dette gjorde det muligt for dem at generere adskillige millioner rubidium-atomer ved en temperatur på omkring 100 mikrokelvin. Efterfølgende, de tændte mønsteret for laserfælder og overførte atomer til disse fælder, med maksimalt 1 atom pr. fælde.

"Vi genererede mønstre, der består af fældesteder med præcis et eller nul atomer, Birkl forklarede. vi tog et billede af mønsteret, og det gav os mulighed for at identificere de besatte steder (som ikke krævede yderligere handling) og tomme websteder. "

Når de fandt ud af, hvilke steder der var besat og hvilke ledige, forskerne fyldte alle tomme steder; at samle et enkelt atom ud af et fyldt sted uden for målmønsteret og transportere det til et tomt sted i målmønsteret. Denne transportproces blev udført ved hjælp af en enkelt fokuseret laserstråle, der kunne bevæge sig i 2-D i hele fældearrayet.

"Dette fungerer som en pincet lavet af lys, derfor kaldes de 'optiske pincetter' og er opfindelsen af ​​Dr. Arthur Ashkin, der modtog en del af Nobelprisen i fysik 2018 for denne opfindelse, "Sagde Birkl." Efter at have påført pincetten på alle tomme websteder, vi tager et andet billede af atomfordelingen og bestemmer succesen med processen med at generere defektfrie atommønstre. Hvis vi stadig har tomme pladser, vi gentager monteringsprocessen en gang mere. Vi kan gøre dette op til 80 gange i en forsøgskørsel, hvilket er en anden grund til vores succes med at generere store fejlfrie mønstre med stor sandsynlighed. "

I deres undersøgelse, forskerne opererede et stort antal fælder (361), placeret i et firkantet gitter på 19x19, hvilket svarede til et betydeligt antal enkeltatomer (ca. 200), og det gjorde det muligt for dem at gentage samleprocessen adskillige gange. Alle disse faktorer hjalp dem i sidste ende med at bryde den tidligere rekord for samling af enkelt-atom kvante systemer.

"Skalerbarheden af ​​de anvendte fysiske systemer er afgørende for yderligere fremskridt på dette område, "Birkl sagde." Vi var i stand til betydeligt at øge mønsterstørrelsen og sandsynligheden for systemer baseret på neutrale atomer. Intet beslægtet eksperiment har vist mere end 72 qubits før, unødvendigt at sige mere end 100, eller endda 111. Vores platform har den eksplicitte udsigt til at være skalerbar, selv langt ud over disse tal. "

Kvanteoverherredømme kræver typisk over 50 qubits, men indtil videre var kun nogle få kvanteteknologiske eksperimenter i stand til at overgå denne tærskel. I deres eksperiment, forskerne nåede i alt 111 qubits med en klar plan for, hvordan man yderligere skulle overskride dette antal. Dette er tegn på skalerbarheden af ​​deres eksperimentelle platform.

"Ud over, vi kunne komme ind i regimet for kvanteoverherredømme med høje succesrater, da vi demonstrerede en succesrate på mere end 60% for et mønster med 8x8 =64 qubits, "Birkl tilføjet." Med varigheden af ​​et eksperimentelt løb på 1 sekund, dette giver en ny fejlfri konfiguration til kvantebehandling i regimet for kvanteoverherredømme hvert andet sekund. "

Undersøgelsen foretaget af Birkl og hans team kan have vigtige implikationer for flere underområder inden for kvanteteknologisk forskning, herunder kvantesimulering og kvanteberegning. Forskerne planlægger nu at skalere deres platform til 1000 kvante systemer, tilføjer også evnen til at starte to-qubit kvanteporte mellem atomer for at bygge en 2-D kvanteprocessor baseret på Rydberg-interaktioner. På denne måde, de håber også på at implementere storskala kvanteberegning og kvantesimuleringer ved hjælp af deres eksperimentelle platform.

© 2019 Science X Network