خلاصه خبر:
فیزیکدانان مؤسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک به رهبری یوهانس زیهر به پیشرفتی در مقیاس بندی محاسبات کوانتومی با اتم های خنثی دست یافته اند. با همکاری spin-off planqc، آنها با بارگذاری مداوم حدود 130 اتم در هر 3.5 ثانیه، یک رجیستر از 1200 اتم را در یک شبکه نوری برای بیش از یک ساعت نگه داشتند و بر مشکلات تلفات اتمی غلبه کردند. این توسعه عملیات طولانی مدت را امکان پذیر می کند، گامی حیاتی برای محاسبات کوانتومی عملی و شبیه سازی در مقیاس بزرگ. این تیم اکنون روی تبدیل اتم ها به کیوبیت های کاربردی و دستیابی به درهم تنیدگی کوانتومی کار می کند. روش آنها فرصت‌های جدیدی را برای الگوریتم‌های کوانتومی در مقیاس صنعتی، علم مواد و شیمی کوانتومی باز میکند، زیرا رویکردی مقیاس‌پذیر برای ایجاد آرایه‌های اتمی پایدار و بزرگ ارائه میکند.
توضیحات تکمیلی:
تیمی از فیزیکدانان به رهبری یوهانس (Johannes Zeiher) زیهر در مؤسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک به پیشرفت قابل توجهی در مقیاس گذاری پلت فرم های محاسباتی کوانتومی با استفاده از اتم های خنثی دست یافته اند. محققان با موفقیت ثبتی از 1200 اتم محبوس شده در شبکه نوری نور لیزر را برای بیش از یک ساعت حفظ کردند که این یک شاهکار بی سابقه در محاسبات کوانتومی اتم خنثی است. به طور سنتی، تلفات اتمی و گرمایش، حفظ چنین سیستم های بزرگی را دشوار کرده است. با این حال، تیم تکنیکی را برای بارگذاری مجدد تقریباً 130 اتم در هر 3.5 ثانیه توسعه دادند که امکان عملکرد مداوم سیستم را فراهم می کرد.
رایانه‌های کوانتومی اتم خنثی به اتم‌هایی که در انبرک های نوری( optical tweezers) یا شبکه‌های نوری محبوس شده‌اند، تکیه می‌کنند که هر اتم به عنوان کیوبیت عمل میکند. با این حال، چالش در مقیاس دهی تا هزاران کیوبیت در عین حفظ کنترل و جلوگیری از خطاهای ناشی از تلفات اتمی یا گرمایش نهفته است. راه حل این تیم به طور موثری یک آرایه اتمی بزرگتر را قادر می سازد تا به طور نامحدود کار کند و راه را برای الگوریتم های کوانتومی پیچیده و برنامه هایی که به زمان عملیاتی طولانی نیاز دارند هموار می کند.
علاوه بر حفظ این آرایه اتمی، تیم Zeiher در حال کار بر روی کنترل وضعیت الکترونیکی هر اتم در رجیستر است تا آنها را به کیوبیت های کاملاً کاربردی تبدیل کند. این شامل استفاده از انبرک‌های نوری برای دستکاری و درهم تنیدگی اتم های نزدیک است که یک نیاز اساسی برای محاسبات کوانتومی است. این تکنیک دارای پتانسیل شبیه‌سازی کوانتومی و مترولوژی کوانتومی است و به آرایه‌های دقیق و قابل برنامه‌ریزی اجازه می‌دهد تا با پیچیدگی کوانتومی رایانه‌های کلاسیک مقابله کنند.
روش آنها فرصت‌هایی را برای کاوش سیستم‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ با هزاران کیوبیت باز میکند، مقیاسی ضروری برای الگوریتم‌های کوانتومی مرتبط صنعتی. همانطور که دکتر فلاویان گیگر، اولین نویسنده مقاله منتشر شده در Physical Review Research، بیان کرد، عملیات مداوم برای استفاده از قدرت فناوری‌های کوانتومی ضروری است، به ویژه زمانی که پروتکل‌های تصحیح خطا و زمان‌های اجرا طولانی برای کاربردها در علم مواد، شبیه‌سازی بیومولکول‌ها و شیمی کوانتومی مورد نیاز است.
این پیشرفت می‌تواند به رایانه‌های کوانتومی اجازه دهد تا مسائلی را که قبلاً غیرقابل حل بودند، مانند مدل‌سازی ساختارهای مولکولی پیچیده، شبیه‌سازی مواد کوانتومی حل کنند و بینش‌هایی در مورد فیزیک کوانتومی many-body ارائه دهد. روش بارگذاری مجدد اتم گامی حیاتی در دستیابی به پابداری و مقیاس پذیری مورد نیاز برای باز کردن پتانسیل کامل محاسبات و شبیه سازی کوانتومی است. با پر کردن مداوم اتم‌ها و کنترل برهم‌کنش‌های بین آنها، این تیم در حال ایجاد زمینه‌ای برای پلتفرم‌های کوانتومی قدرتمندی است که در نهایت می‌توانند در بسیاری از وظایف پیچیده از رایانه‌های کلاسیک بهتر عمل کنند.
این رویکرد همچنین به یکی از تنگناها در مقیاس بندی آرایه های اتم خنثی می پردازد - فرآیند بارگذاری تصادفی که منجر به آرایه های نامنظم و ناقص می شود. محققان با بازیافت اتم ها از یک اجرای آزمایشی به دیگری، به آرایه ای متراکم از بیش از 1000 اتم دست می یابند. این فرآیند بارگذاری مجدد کارآمد از زمان‌های آماده‌سازی طولانی مرتبط با روش‌های مونتاژ معمولی جلوگیری میکند و راهی سریع‌تر و مقیاس‌پذیرتر برای ایجاد رجیسترهای کوانتومی سفارش‌داده شده ارائه میکند.
استپان اسنیگیرف، مهندس کوانتومی ارشد در planqc و یکی از نویسندگان مقاله، اهمیت این کار را در پیشرفت به سمت استفاده عملی از محاسبات کوانتومی برجسته کرد. تکنیک بارگذاری مجدد این تیم می‌تواند محاسبات و شبیه‌سازی‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ را برای ساعت‌ها اجرا کند و راه‌های جدیدی را برای کاربردهای کوانتومی کوتاه‌مدت که به هزاران کیوبیت در عملیات مداوم نیاز دارند، باز کند.
این دستاورد نقطه عطفی در تلاش برای افزایش مقیاس فناوری‌های کوانتومی است و محاسبات کوانتومی عملی را با پرداختن به چالش اساسی حفظ کنترل بر آرایه‌های اتمی بزرگ برای دوره‌های طولانی به واقعیت نزدیک‌تر میکند.
منبع
https://www.mpq.mpg.de/7011999/10-1200-atom-qubit-register?c=2342
https://phys.org/news/2024-10-quantum-register-neutral-atoms.html?utm_source=twitter.com&utm_medium=social&utm_campaign=v2&s=09
https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.6.033104
