Физики из США собрали систему из 3240 атомных кубитов и поддерживали ее когерентную работу более двух часов. Для этого они реализовали архитектуру с конвейерной подачей атомов, которая позволила пополнять массив кубитов со скоростью до 30 тысяч в секунду. Статья принята к публикации в журнале Nature.
Нейтральные атомы считаются перспективной платформой для квантовых вычислений и сетей, а также для атомных часов и квантовых симуляций. Однако такие системы обычно работают в пульсирующем режиме: из-за потерь атомов и ограниченного времени жизни ловушек массив кубитов быстро деградирует. Это ограничивает глубину квантовых схем и точность измерений. Для построения масштабируемого квантового компьютера с коррекцией ошибок надо уметь регулярно заменять утраченные атомы, сохраняя когерентность остальных.
Физики под руководством Михаила Лукина (Mikhail Lukin) из Гарвардского университета предложили и реализовали систему с двумя оптическими решетками-конвейерами, которые транспортируют миллионы охлажденных атомов рубидия в рабочую область. Оттуда атомы извлекаются в оптические пинцеты и проходят процедуру инициализации: охлаждение, упорядочивание в дефект-свободные массивы и перевод в кубитные состояния. Далее собранные подмассивы перемещаются в основную зону хранения, где применяются методы динамического развязывания для поддержания когерентности кубитов.
Авторы показали, что массив из 3240 ловушек можно заполнять атомами за полсекунды и поддерживать в нем более трех тысяч атомов дольше двух часов — в двадцать раз больше типичного времени жизни в одиночной ловушке. При этом пополнение массива происходило каждые 80 миллисекунд: старые атомы заменялись свежими, а когерентность уже существующих кубитов сохранялась. В частности, исследователи подтвердили работу системы как для спин-поляризованных состояний, так и для суперпозиции состояний, поддерживая когерентность на уровне порядка секунды даже при непрерывной перезагрузке.
Эксперимент открывает возможность построения непрерывно работающих квантовых компьютеров и атомных часов, где потери кубитов компенсируются на лету. По оценкам авторов, при дальнейшем увеличении скорости загрузки и точности квантовых операций подобные системы смогут поддерживать десятки тысяч физических кубитов и сотни логических кубитов с коррекцией ошибок. Кроме вычислений, методика может применяться в квантовой метрологии и распределенных квантовых сетях.
Ученые продолжают исследовать возможности платформы на нейтральных атомах. Например, недавно физики разработали сверхбыстрый протокол перестановки и нарисовали атомами мультфильм.