TOKIO, 9. srpna 2022 – Výzkumný tým v japonském Institutu pro molekulární vědu (IMS), Národní institut přírodních věd (NINS) provedl dvouqubitovou bránu – základní operaci pro kvantová výpočetní technika — která pracuje za pouhých 6,5 ns. Tým věří, že jeho pokrok je připraven podpořit další vlnu úspěchu v ultrarychlých kvantových počítačích.
Očekává se, že ultrarychlé kvantové výpočty, které se spoléhají na lasery při manipulaci s chladnými atomy zachycenými optickými pinzetami, budou podporovat architekturu kvantového počítače, která překoná omezení typů supravodivých a zachycených iontů, které jsou v současné době ve vývoji, uvedli vědci.
Kvantové počítače se studenými atomy jsou založeny na laserovém chlazení a technikách zachycování, za které byly v letech 1997 a 2018 uděleny Nobelovy ceny. Tyto techniky spolu s dalšími průlomy umožnily vědcům vyvinout schopnost uspořádat pole studených atomů do libovolných tvarů pomocí optických pinzet. a pozorovat každého zvlášť.
Protože atomy jsou přirozené kvantové systémy, jsou upřednostňovány jako qubity. Navíc, protože tyto atomy jsou dobře izolované od okolního prostředí a jsou na sobě nezávislé, může koherenční doba qubitu dosáhnout několika sekund. Dvou-qubitové hradlo, které je považováno za základní základní aritmetický prvek pro kvantové výpočty, se provádí vybuzením jednoho elektronu atomu do obřího elektronického orbitalu, nazývaného Rydbergův orbital.
Platforma studených atomů se ukázala jako slibný kandidát na hardware kvantového počítače. Platformu lze snadno zvětšit při zachování vysoké koherence ve srovnání se supravodivými typy a typy se zachycenými ionty, které jsou v současné době vyvíjeny.
Konceptuální schéma dvouqubitové brány. V systému jsou dva atomy zachycené v optické pinzetě (růžové světlo), se vzdáleností 1 μm, manipulovány ultrarychlým laserovým pulzem (modré světlo) svítícím pouze 10 ps. Dvou-qubitová brána překonává zásadní překážku v kvantovém počítání se studeným atomem a jejím cílem je podpořit vývoj hardwaru kvantového počítače, který prolomí omezení typů supravodivých a zachycených iontů, které se v současnosti vyvíjejí. S laskavým svolením Takafumi Tomita/ IMS.
Kvantová hradla jsou považována za základní aritmetické prvky, které tvoří kvantové výpočty; odpovídají logickým hradlům jako „AND“ a „OR“ v konvenčních klasických počítačích. Existují jedno-qubitové brány, které manipulují se stavem jednoho qubitu, a dvou-qubitové brány, které generují kvantové zapletení mezi dvěma qubity. Dvou-qubitová brána je zdrojem vysokorychlostního výkonu kvantových počítačů a je technicky náročná.
V současném výzkumu se implementované dvouqubitové hradlo nazývá „kontrolované-Z hradlo“, což je operace, která překlápí kvantovou superpozici prvního qubitu z 0 + 1 na 0 − 1 v závislosti na stavu (0 nebo 1 ) druhého qubitu. Přesnost nebo věrnost kvantové brány je degradována hluk z vnějšího prostředí a provozního laseru, což ztěžuje vývoj kvantových počítačů.
Vzhledem k tomu, že časové měřítko šumu je obecně pomalejší než 1 μs, bude možné realizovat kvantové hradlo, které je dostatečně rychlejší než tento interval, bude možné vyhnout se zhoršení přesnosti výpočtu v důsledku šumu a vyhnout se úzkému hrdlu, které dosud brzdilo realizace praktického kvantového počítače.
Tým použil atomy rubidia v plynné fázi, ochlazené téměř na absolutní nulu a zachycené v optických pinzetách oddělených vzdáleností zhruba 1 μm, aby si uvědomil, že jde o nejrychlejší dvouqubitovou bránu mezi dvěma jednotlivými atomy, která byla prokázána. .
Poté, co uspořádal atomy, je tým ozářil ultrakrátkými laserovými pulzy, které vyzařovaly světlo po dobu 1/100 miliardtiny sekundy. Výzkumníci pozorovali, že dva elektrony zachycené v nejmenších orbitalech dvou sousedních atomů byly sraženy do Rydbergových orbitalů. Interakce mezi těmito obřími atomy pak vedla k periodické výměně tvaru orbity a energie elektronů s periodou 6,5 ns, což bylo o více než dva řády rychlejší než šum.
Výzkum byl zveřejněn v Fotonika přírody (www.doi.org/10.1038/s41566-022-01047-2).