Att göra kvantsystem mer skalbara är ett av nyckelkraven för vidareutveckling av kvantdatorer eftersom fördelarna de erbjuder blir allt tydligare i takt med att systemen skalas upp. Forskare vid TU Darmstadt har nyligen tagit ett avgörande steg mot att uppnå detta mål.

Kvantprocessorer baserade på tvådimensionella arrayer av optiska pincett, som skapas med fokuserade laserstrålar, är en av de mest lovande teknikerna för att utveckla kvantberäkning och simulering som kommer att möjliggöra mycket fördelaktiga tillämpningar i framtiden. En mängd olika applikationer från läkemedelsutveckling till optimering av trafikflöden kommer att dra nytta av denna teknik.

Dessa processorer har hittills kunnat hålla flera hundra enatoms kvantsystem, där varje atom representerar en kvantbit eller kvantbit som den grundläggande enheten för kvantinformation. För att göra ytterligare framsteg är det nödvändigt att öka antalet qubits i processorerna. Detta har nu uppnåtts av ett team som leds av professor Gerhard Birkl från forskargruppen Atoms—Photons—Quanta vid institutionen för fysik vid TU Darmstadt.

I en forskningsartikel, som först publicerades i början av oktober 2023 på arXiv preprint server och har nu även publicerats efter vetenskaplig peer review i tidskriften Optica , rapporterar teamet om världens första framgångsrika experiment för att realisera en kvantbearbetningsarkitektur som innehåller mer än 1 000 atomära qubits i ett enda plan.

"Vi är oerhört glada över att vi var de första att bryta märket på 1 000 individuellt kontrollerbara atomära qubits eftersom så många andra enastående konkurrenter är heta i hälarna", säger Birkl.

Forskarna kunde i sina experiment visa att deras tillvägagångssätt att kombinera de senaste kvantoptiska metoderna med avancerad mikrooptisk teknologi har gjort det möjligt för dem att avsevärt öka de nuvarande gränserna för det tillgängliga antalet qubits.

Detta uppnåddes genom att introducera den nya metoden med "kvantbitsöverladdning". Det gjorde det möjligt för dem att övervinna de begränsningar som infördes på antalet användbara qubits av lasrarnas begränsade prestanda. Totalt 1 305 enatoms qubits laddades i en kvantmatris med 3 000 fällplatser och återmonterades till defektfria målstrukturer med upp till 441 qubits. Genom att använda flera laserkällor parallellt har detta koncept brutit igenom de tekniska gränser som hittills uppfattats som nästan oöverstigliga.

För många olika applikationer ses 1 000 qubits som tröskelvärdet från vilket den effektivitetshöjning som utlovats av kvantdatorer nu kan demonstreras för första gången. Forskare runt om i världen har alltså arbetat intensivt för att vara först med att bryta denna tröskel. Studien av Birkl och kollegor beskriver hur ytterligare ökningar av antalet laserkällor kommer att möjliggöra qubit-tal på 10 000 och mer på bara några år.

Mer information: Lars Pause et al, Supercharged tvådimensionell pincettuppsättning med mer än 1000 atomära qubits, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.513551

Tillhandahålls av Technische Universitat Darmstadt