En forskargrupp ledd av doktoranden Yeelai Chew, biträdande professor Sylvain de Léséleuc och professor Kenji Ohmori vid Institutet för molekylär vetenskap, National Institutes of Natural Sciences, använder atomer kylda till nästan absoluta nollpunkten och fångade i en optisk pincett åtskilda av en mikron eller så (se fig. 1). Genom att manipulera atomerna med ett speciellt laserljus under 10 pikosekunder, lyckades de utföra världens snabbaste två-qubit-grind, en grundläggande operation som är nödvändig för kvantberäkning, som fungerar på bara 6,5 ​​nanosekunder.

Denna ultrasnabba kvantdator, som använder ultrasnabba lasrar för att manipulera kalla atomer som fångas med en optisk pincett, förväntas bli en helt ny kvantdator som bryter igenom begränsningarna för de supraledande och fångade jontyperna som för närvarande är under utveckling.

Resultaten publiceras i onlineupplagan av Nature Photonics den 8 augusti 2022.

Kallatombaserade kvantdatorer

Kvantdatorer med kalla atomer är baserade på laserkylnings- och infångningstekniker som firades av Nobelpriset 1997 (S. Chu, C. Cohen-Tannoudji och W.D. Philipps, "Cooling and trapping atoms with laser light") och 2018 (A. Ashkin) , uppfinning av den optiska pincetten). Dessa tekniker underlättar arrangemanget av uppsättningar av kalla atomer till godtyckliga former med en optisk pincett och gör att var och en kan observeras individuellt.

Eftersom atomer är naturliga kvantsystem kan de enkelt lagra kvantbitar av information, den grundläggande byggstenen ("qubit") i en kvantdator (se fig. 2). Dessutom är dessa atomer mycket väl isolerade från den omgivande miljön och är oberoende av varandra. Koherenstiden (den tid under vilken kvantöverlagring kvarstår) för en kvantbit kan uppgå till flera sekunder. En två-qubit-grind (ett väsentligt grundläggande aritmetiskt element för kvantberäkning) utförs sedan genom att excitera en elektron av atomen till en gigantisk elektronisk orbital, kallad en Rydberg-orbital.

Med dessa tekniker har cold-atom-plattformen framstått som en av de mest lovande kandidaterna för kvantdatorhårdvara, vilket har väckt uppmärksamhet från industri, akademi och regeringar runt om i världen. I synnerhet har den revolutionerande potential genom att den lätt kan skalas upp samtidigt som den bibehåller hög koherens jämfört med de supraledande och fångade jontyperna som för närvarande utvecklas.

Quantum grindar

Kvantportar är de grundläggande aritmetiska elementen som utgör kvantberäkning. De motsvarar de logiska grindarna som AND och OR i konventionella klassiska datorer. Det finns en-qubit-grindar som manipulerar tillståndet för en enda qubit och två-qubit-grindar som genererar kvantentanglement mellan två qubits. Två-qubit-porten är källan till höghastighetsprestanda i kvantdatorer och är tekniskt utmanande. Den viktigaste två-qubit-grinden kallas en "controlled-Z-gate (CZ-gate)," vilket är en operation som vänder kvantöverlagringen av en första kvantbit från 0 + 1 till 0-1 beroende på tillståndet (0 eller 1) ) av en andra qubit (se fig. 3).

Kvantportens noggrannhet (trohet) försämras lätt av brus från den yttre miljön och driftlasern, vilket försvårar utvecklingen av kvantdatorer. Eftersom tidsskalan för brus i allmänhet är långsammare än en mikrosekund, om en kvantgrind som är tillräckligt snabbare än detta kan realiseras, kommer det att vara möjligt att undvika försämringen av beräkningsnoggrannheten på grund av brus och föra oss mycket närmare att förverkliga en praktisk kvantdator. Därför har all forskning om kvantdatorhårdvara under de senaste 20 åren strävat efter snabbare portar. Den ultrasnabba gate på 6,5 nanosekunder som denna forskning uppnår med hårdvaran med kall atom är mer än två storleksordningar snabbare än brus och kan därför ignorera dess effekter. Det tidigare världsrekordet var 15 nanosekunder, uppnått av Google AI 2020 med supraledande kretsar.

Experimentell metod

Experimentet utfördes med användning av rubidiumatomer. Först arrangerades två rubidiumatomer i gasfasen som hade kylts till en ultralåg temperatur på cirka 1/100 000 av en Kelvin med laserstrålar med ett mikronintervall med en optisk pincett. Forskare bestrålade dem sedan med ultrakorta laserpulser som avgav ljus i endast 1/100 miljarddels sekund och observerade förändringarna som inträffade. Två elektroner som var fångade i de minsta orbitaler (5S) av två intilliggande atomer (atom 1 och atom 2) slogs in i gigantiska elektroniska orbitaler (Rydberg-orbitaler, här 43D). Interaktionen mellan dessa gigantiska atomer ledde sedan till ett periodiskt, fram och tillbaka utbyte av orbitalformen och elektronenergin som inträffade med en period av 6,5 nanosekunder.

Efter en svängning dikterar kvantfysikens lagar att tecknet för vågfunktionen vänds, vilket förverkligar två-qubit-grinden (kontrollerad-Z-grind). Genom att använda detta fenomen utförde de en kvantgrindoperation med användning av en qubit (fig. 2) där det elektroniska 5P-tillståndet är "0"-tillståndet och det elektroniska 43D-tillståndet är "1"-tillståndet. Atomerna 1 och 2 preparerades som qubits 1 respektive 2, och energiutbytet inducerades med användning av en ultrakort laserpuls. Under en energiutbytescykel omkastades tecknet för superpositionstillståndet för qubit 2 endast när qubit 1 var i "1"-tillståndet (fig. 3). Denna skyltvändning observerades experimentellt av forskargruppen, vilket visar att en två-qubit-grind kan manövreras på 6,5 nanosekunder, den snabbaste i världen.

Förverkligandet av världens snabbaste ultrasnabba grind, som uppnåddes den här gången genom en helt ny metod för att "manipulera två mikron-avstånd atomer kylda till nästan absoluta noll med hjälp av en ultrasnabb laser," förväntas avsevärt påskynda den världsomspännande uppmärksamheten på kallatoms hårdvara. + Utforska vidare

Två lag använder neutrala atomer för att skapa kvantkretsar