Ultrazimne neutralne atomy pomagają w budowie systemów kwantowych
Wyścig o stworzenie technologii kwantowej już trwa. W październiku UE uruchomiła swój sztandarowy projekt dotyczący technologii kwantowych, inicjatywę o wartości 1 mld EUR, w ramach której w ciągu najbliższych 10 lat wsparcie finansowe otrzyma ponad 5 000 naukowców. Z kolei Kongres Stanów Zjednoczonych właśnie odpowiedział własną ustawą o technologiach kwantowych o wartości 1,2 mld USD. Pierwsze prototypy komputerów kwantowych już powstały, ale wciąż istnieje wiele przeszkód nawet w badaniach podstawowych, a jedną z nich jest potrzeba zwiększenia precyzji w manipulowaniu pojedynczymi kubitami i ich interakcjach. Projekt QuantuM-nano miał na celu rozwiązanie tego problemu poprzez skupienie się na ultrazimnych atomach neutralnych, co stanowiło odejście od najbardziej popularnego podejścia do obliczeń kwantowych wykorzystującego układy nadprzewodzące. „Ultrazimne atomy mają kilka atrakcyjnych właściwości. Na przykład, wszystkie atomy danego rodzaju są ze swej natury identyczne, co stanowi dużą zaletę, gdy używa się ich jako kubitów”, mówi prof. Jakob Reichel z Laboratoire Kastler Brossel w Paryżu, koordynator projektu. „Atomy neutralne dają się też bardzo dobrze izolować od świata zewnętrznego: są zazwyczaj chwytane przez pole elektromagnetyczne w komorze próżniowej, co pomaga zachować ich właściwości kwantowe. Dzięki zdumiewającym postępom w fizyce atomowej i technologii laserowej, jakie miały miejsce w ostatnich kilkudziesięciu latach, możemy też nimi stosunkowo łatwo manipulować. Wreszcie, brak ładunku elektrycznego jest ich atutem w przypadku prób powiększenia systemów dzięki chwytaniu wielu atomów w małej objętości”. O ile znaczenie ultrazimnych atomów dla symulacji kwantowych zostało już wcześniej zbadane i dostrzeżone, projekt QuantuM-nano wyróżnia się nowatorskim podejściem polegającym na budowaniu łańcuchów atomowych kubitów. Każdy atomowy kubit jest zamknięty w jednej pułapce optycznej, a wszystkie puste miejsca chwytania atomów są wyeliminowane, dzięki czemu łańcuchy są w 100 % wolne od defektów. To z kolei pozwala na idealne uporządkowanie atomów. „Następnie zaczęliśmy badać dwie metody mające zmusić kubity do interakcji: interakcje dwubiegunowe oraz koherentną wymianę fotonów we wnęce”, wyjaśnia dr Sylvain Schwartz, obecnie z Laboratoire Kastler Brossel, który pracował przez dwa lata w ramach projektu na Uniwersytecie Harvarda. Przełomowe osiągnięcia projektu umożliwiły stworzenie dużego programowalnego symulatora kwantowego z nawet 51 atomami, co dr Schwartz uznaje za bezprecedensowy stopień kontroli. „Dzięki tej platformie mogliśmy zbadać diagram fazowy hamiltonianu Isinga, przeanalizować dynamikę różnych kwantowych przejść fazowych oraz stworzyć stany splątane dwóch atomów w oparciu o oddziaływania Rydberga z najwyższą wiernością, jaką dotychczas odnotowano – ponad 97 %”, mówi uczony. Prof. Reichel ma nadzieję, że w przyszłości platformy te będą wykorzystywane do implementacji kwantowych algorytmów optymalizacji – gdzie problem trudny do rozwiązania na klasycznym komputerze jest kodowany w systemie kwantowym w taki sposób, że system w naturalny sposób ewoluuje w kierunku pożądanego rozwiązania – chociaż wciąż potrzeba mnóstwo pracy, aby to osiągnąć. „W połączeniu z wnękami optycznymi systemy te mogłyby również służyć do tworzenia metrologicznie użytecznych stanów kwantowych, które przesunęłyby granice najnowocześniejszych zegarów atomowych, które z kolei mogłyby znaleźć zastosowanie w geodezji lub do testowania pewnych fundamentalnych praw fizyki, które są nadal kwestionowane”, wyjaśnia. Konsorcjum zamierza teraz rozszerzyć zakres swoich badań z jednowartościowych atomów o stosunkowo prostej strukturze, takich jak rubid, na atomy dwuwartościowe, takie jak stront, które powinny znaleźć zastosowanie w przyszłych zegarach atomowych.
Słowa kluczowe
QuantuM-nano, systemy kwantowe, kubity atomowe, ultrazimne atomy, atomy neutralne
