Forskare vid Technische Universität Darmstadt har nyligen demonstrerat den defektfria monteringen av mångsidiga målmönster för upp till 111 enkelatomen kvantsystem. Deras fynd, beskrivs i ett papper publicerat i Fysiska granskningsbrev , kunde driva monterade atomarkitekturer bortom tröskeln till kvantfördel, banar väg för nya genombrott inom kvantvetenskap och teknik.

"Vår forskning drivs av observationen att fysiska vetenskaper är mitt i ett paradigmskifte där tillämpningen av kvantfysik, dvs. kvantteknik, blir den ledande tekniken inom en snar framtid, "Gerhard Birkl, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "En omfattande lista över applikationer är redan förutsebar men jag är övertygad om att vi för de flesta applikationer inte ens är medvetna om."

Nästa steg för kvantvetenskap och teknik är utvecklingen av experimentella plattformar som erbjuder omfattande skalbarhet, kvantkorrelationer på flera platser och effektiv kvantfelskorrigering. Under det senaste århundradet eller så, forskare har utfört ett betydande arbete med enstaka kvantsystem, lägga grunden för den aktuella utvecklingen. Atomkvantsystem har spelat en nyckelroll i dessa studier, särskilt neutrala atomer fångade av ljus, eftersom de ger välisolerade kvantsystem med gynnsam skalning.

"För de kommande generationerna av kvantteknik, gå till flera kvantsystem, dvs att skala upp systemstorleken är avgörande, "Av den anledningen gav vi oss själva direktivet att utveckla en ny plattform som ger mycket skalbara arkitekturer för atomkvantsystem med full kontroll över alla relevanta parametrar för att utveckla toppmodern kvantteknik."

När de utvecklar den tekniska grunden för deras experiment, Birkl och hans studenter som var inblandade i studien fokuserade på laserkylda neutrala atomer med optiska fällor, eftersom dessa gynnas av vetenskapliga genombrott under de senaste 25 åren. Dessa genombrott inkluderar laserkylning och infångning, Bose-Einstein kondens, manipulation av enskilda kvantsystem, och optisk pincett.

"Till sist, vi insåg att kombinationen av denna vetenskapliga utveckling med avancerad optisk teknik som mikrofabricering av storskaliga matriser av mikrolinser skapar en idealisk plattform för utveckling av skalbar kvantteknik, "Birkl sa." Centralt i vårt arbete är att vi tillämpar en ny experimentell arkitektur där vi genererar ett 2-D-mönster av optiska fällor för neutrala atomer baserat på 2-D-uppsättningar av mikrolinser. "

Med hjälp av en stor laserstråle som lyser upp många linser, forskarna kunde generera flera laserfällor samtidigt. De genererade upp till 400 av dessa fällor parallellt och kunde sedan ta itu med dem individuellt.

Deras experiment hade flera steg. Birkl och hans kollegor började med att skapa ett moln av rubidiumatomer i ett rumstemperaturvakuumsystem, med hjälp av en magneto-optisk fälla (MOT). Detta gjorde att de kunde generera flera miljoner rubidiumatomer vid en temperatur av cirka 100 mikroKelvin. Senare, de aktiverade mönstret för laserfällor och överförde atomer till dessa fällor, med högst 1 atom per fälla.

"Vi genererade mönster som består av fällplatser med exakt en eller noll atomer, "Birkl förklarade." Därefter, vi tog en bild av mönstret och det gjorde att vi kunde identifiera de ockuperade platserna (som inte krävde ytterligare åtgärder) och tomma platser. "

När de bestämde vilka platser som var ockuperade och vilka som var lediga, forskarna fyllde alla tomma platser; plocka upp en enda atom från en fylld plats utanför målmönstret och transportera den till en tom plats i målmönstret. Denna transportprocess utfördes med hjälp av en enda fokuslaserstråle som kunde röra sig i 2-D genom hela fällanordningen.

"Det här fungerar som en pincett gjord av ljus, av vilken anledning kallas de 'optiska pincetter' och är uppfinningen av Dr Arthur Ashkin som fick en del av Nobelpriset i fysik 2018 för denna uppfinning, "Sa Birkl." Efter att ha applicerat pincetten för alla tomma platser, vi tar en annan bild av atomfördelningen och avgör framgången med processen att generera defektfria atommönster. Om vi ​​fortfarande har tomma webbplatser, vi upprepar monteringsprocessen en gång till. Vi kan göra detta upp till 80 gånger i en experimentell körning, vilket är en annan anledning till vår framgång med att skapa stora defektfria mönster med stor sannolikhet. "

I deras studie, forskarna opererade ett stort antal fällor (361), placerad i ett fyrkantigt rutnät på 19x19, vilket motsvarade ett stort antal enstaka atomer (cirka 200) och detta gjorde att de kunde upprepa monteringsprocessen flera gånger. Alla dessa faktorer hjälpte dem i slutändan att slå det tidigare rekordet för montering av kvantsystem med en atom.

"Skalbarheten för de fysiska system som används är avgörande för ytterligare framsteg inom detta område, "Sa Birkl." Vi kunde avsevärt öka mönstret och storlekssannolikheten för system baserade på neutrala atomer. Inget relaterat experiment har visat mer än 72 qubits tidigare, onödigt att säga mer än 100, eller till och med 111. Vår plattform har den tydliga utsikten att vara skalbar även långt bortom de siffrorna. "

Quantum supremacy kräver vanligtvis över 50 qubits, men hittills kunde bara några få kvantteknologiska experiment överskrida denna tröskel. I deras experiment, forskarna nådde totalt 111 qubits med en tydlig plan för hur man ytterligare överskrider detta antal. Detta är ett bevis på skalbarheten hos deras experimentella plattform.

"Dessutom, vi skulle kunna komma in i regimen för kvantöverlägsenhet med höga framgångar, som vi visade en framgång på mer än 60% för ett mönster med 8x8 =64 qubits, "Birkl tillagd." Med varaktigheten av en experimentkörning på 1 sekund, detta ger en ny defektfria konfigurationer för kvantbehandling i regimen för kvantöverlägsenhet varannan sekund. "

Studien utförd av Birkl och hans team kan ha viktiga konsekvenser för flera delområden inom kvantteknologisk forskning, inklusive kvantsimulering och kvantberäkning. Forskarna planerar nu att skala upp sin plattform till 1000 kvantsystem, också lägga till möjligheten att initiera två-qubit kvantportar mellan atomer för att bygga en 2-D kvantprocessor baserad på Rydberg-interaktioner. På det här sättet, de hoppas också kunna implementera storskalig kvantberäkning och kvantsimuleringar med sin experimentella plattform.

© 2019 Science X Network