Forskere udvikler verdens hurtigste to-qubit-gate mellem to enkelte atomer

En forskergruppe ledet af kandidatstuderende Yeelai Chew, adjunkt Sylvain de Léséleuc og professor Kenji Ohmori ved Institute for Molecular Science, National Institutes of Natural Sciences, bruger atomer, der er afkølet til næsten det absolutte nulpunkt og fanget i en optisk pincet adskilt af en mikron eller så (se fig. 1). Ved at manipulere atomerne med et specielt laserlys i 10 picosekunder, lykkedes det dem at udføre verdens hurtigste to-qubit-gate, en grundlæggende operation, der er afgørende for kvanteberegning, som fungerer på kun 6,5 nanosekunder.

Denne ultrahurtige kvantecomputer, som bruger ultrahurtige lasere til at manipulere kolde atomer fanget med en optisk pincet, forventes at være en helt ny kvantecomputer, der bryder igennem begrænsningerne for de superledende og fangede iontyper, der i øjeblikket er under udvikling.

Resultaterne er offentliggjort i online-udgaven af ​​Nature Photonics den 8. august 2022.

Koldatombaserede kvantecomputere

Kold-atom kvantecomputere er baseret på laserkøling og fangstteknikker fejret af Nobelpriserne i 1997 (S. Chu, C. Cohen-Tannoudji og W.D. Philipps, "Cooling and trapping atoms with laser light") og 2018 (A. Ashkin) , opfindelsen af ​​den optiske pincet). Disse teknikker letter arrangementet af arrays af kolde atomer til vilkårlige former med en optisk pincet og gør det muligt at observere hver enkelt individuelt.

Fordi atomer er naturlige kvantesystemer, kan de nemt lagre kvantebits af information, den grundlæggende byggesten ("qubit") i en kvantecomputer (se fig. 2). Derudover er disse atomer meget godt isoleret fra det omgivende miljø og er uafhængige af hinanden. Kohærenstiden (den tid, hvor kvantesuperposition varer ved) for en qubit kan nå flere sekunder. En to-qubit-gate (et essentielt aritmetisk grundelement til kvanteberegning) udføres derefter ved at excitere én elektron af atomet til en gigantisk elektronisk orbital, kaldet en Rydberg-orbital.

Med disse teknikker er kold-atom-platformen dukket op som en af ​​de mest lovende kandidater til kvantecomputerhardware, hvilket har tiltrukket sig opmærksomhed fra industrien, den akademiske verden og regeringer over hele verden. Det har især revolutionerende potentiale, idet det nemt kan skaleres op, samtidig med at det opretholder høj sammenhæng sammenlignet med de superledende og fangede-ion-typer, der i øjeblikket udvikles.

Kvanteporte

Kvanteporte er de grundlæggende aritmetiske elementer, der udgør kvanteberegning. De svarer til de logiske porte som AND og OR i konventionelle klassiske computere. Der er en-qubit-gates, der manipulerer tilstanden af ​​en enkelt qubit og to-qubit-gates, der genererer kvantesammenfiltring mellem to qubits. To-qubit-porten er kilden til højhastighedsydelsen i kvantecomputere og er teknisk udfordrende. Den vigtigste to-qubit-gate kaldes en "controlled-Z-gate (CZ-gate)," som er en operation, der vender kvantesuperpositionen af ​​en første qubit fra 0 + 1 til 0-1 afhængigt af tilstanden (0 eller 1) ) af en anden qubit (se fig. 3).

Nøjagtigheden (troskaben) af kvanteporten forringes let af støj fra det ydre miljø og driftslaseren, hvilket gør udviklingen af ​​kvantecomputere vanskelig. Da tidsskalaen for støj generelt er langsommere end et mikrosekund, hvis en kvanteport, der er tilstrækkeligt hurtigere end dette, kan realiseres, vil det være muligt at undgå forringelsen af ​​beregningsnøjagtigheden på grund af støj og bringe os meget tættere på at realisere en praktisk kvantecomputer. Derfor har al forskning i kvantecomputerhardware i de sidste 20 år forfulgt hurtigere porte. Den ultrahurtige gate på 6,5 nanosekunder opnået ved denne forskning med koldt-atom-hardware er mere end to størrelsesordener hurtigere end støj og kan derfor ignorere dens virkninger. Den tidligere verdensrekord var 15 nanosekunder, opnået af Google AI i 2020 med superledende kredsløb.

Eksperimentel metode

Forsøget blev udført under anvendelse af rubidiumatomer. Først blev to rubidiumatomer i gasfasen, der var blevet afkølet til en ultralav temperatur på omkring 1/100.000 af en Kelvin ved hjælp af laserstråler, arrangeret med et mikroninterval med en optisk pincet. Forskere bestrålede dem derefter med ultrakorte laserimpulser, der udsendte lys i kun 1/100 milliardtedel af et sekund, og observerede de ændringer, der skete. To elektroner fanget i henholdsvis de mindste orbitaler (5S) af to tilstødende atomer (atom 1 og atom 2) blev slået ind i gigantiske elektroniske orbitaler (Rydberg orbitaler, her 43D). Interaktionen mellem disse gigantiske atomer førte derefter til en periodisk frem-og-tilbage udveksling af orbitalformen og elektronenergi, der fandt sted med en periode på 6,5 nanosekunder.

Efter én svingning dikterer kvantefysikkens love, at tegnet for bølgefunktionen vendes, og dermed realiseres to-qubit-porten (kontrolleret-Z-port). Ved at bruge dette fænomen udførte de en kvanteportoperation ved hjælp af en qubit (fig. 2), hvor den elektroniske 5P-tilstand er "0"-tilstanden, og den elektroniske 43D-tilstand er "1"-tilstanden. Atom 1 og 2 blev fremstillet som henholdsvis qubits 1 og 2, og energiudvekslingen blev induceret ved hjælp af en ultrakort laserpuls. Under en energiudvekslingscyklus blev fortegnet for superpositionstilstanden af ​​qubit 2 kun vendt, når qubit 1 var i "1"-tilstanden (fig. 3). Denne fortegnsvending blev eksperimentelt observeret af forskergruppen og demonstrerede således, at en to-qubit-gate kan betjenes på 6,5 nanosekunder, den hurtigste i verden.

Realiseringen af ​​verdens hurtigste ultrahurtige gate, opnået denne gang ved en helt ny metode til at "manipulere to mikron-afstande atomer afkølet til næsten det absolutte nul ved hjælp af en ultrahurtig laser," forventes i høj grad at accelerere verdensomspændende opmærksomhed på kold-atom hardware. + Udforsk yderligere

To hold bruger neutrale atomer til at skabe kvantekredsløb