Bevor Quantencomputer komplexe Probleme lösen können, müssen Forscher Technologien entwickeln, die eine größere Anzahl von Qubits (die Bausteine von Quantencomputern) über längere Zeiträume verwalten. Neutrale Atome spielen dabei eine wichtige Rolle und sind für das Quantencomputing vielversprechend, da sie eine stabile, kontrollierbare und skalierbare Plattform für den Aufbau von Qubits und die Durchführung von Quantenoperationen bieten.
Auf den ersten Blick scheint ein neutrales Atom – ein Teilchen ohne elektrische Nettoladung, das aus einer gleichen Anzahl von Protonen und Elektronen besteht – eine naheliegende Wahl für Quantenprozessoren zu sein. Wie andere Qubit-Typen sind sie jedoch anfällig für Umgebungsrauschen und Steuerungsfehler, die Fehler im Quantencomputer verursachen können.
Gemeinsame Forschungsteams haben bei der Entwicklung von Hardware und Techniken für Quantencomputer auf Basis neutraler Atome große Fortschritte gemacht und rücken damit die Zukunft des skalierbaren Quantencomputings der Realität näher. Quantensystembeschleuniger (QSA), geleitet vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ist ein Nationales Forschungszentrum für Quanteninformationswissenschaft das über 250 Experten aus 14 Institutionen vereint.
Mit QSA verbundene Wissenschaftler haben innovative Methoden zur Schaffung einer stabilen, steuerbaren und skalierbaren Plattform für den Bau von Hardware und die Implementierung von Quantenoperationen entwickelt.
Neutrale Atome, die in fokussierten Laserstrahlen gefangen sind, sind weniger anfällig für Störungen aus der Umgebung und können daher Quanteninformationen effektiver verarbeiten. Indem sie neutrale Atome in Arrays anordnen, können Forscher größere Quantensysteme mit Dutzenden oder Hunderten von Qubits erstellen, die für die Durchführung komplexer Quantensimulationen und die Entwicklung groß angelegter Quantencomputer von entscheidender Bedeutung sind.
Die Entwicklung der ersten rekonfigurierbaren Anordnungen neutraler Atome war ein bedeutender Meilenstein in der Quanteninformatik. Forscher von Harvard, MIT und anderen Institutionen demonstrierten den Einsatz von „optischen Pinzetten“, die fokussierte Laserstrahlen verwenden, um neutrale Atome einzufangen und in bestimmten Konfigurationen zu positionieren.
Diese Innovation, die in einem Artikel im Natur im Jahr 2021, ermöglicht die Erstellung rekonfigurierbarer Arrays, die für die flexible Gestaltung und Optimierung von Qubits in Quantencomputern unerlässlich sind. Die Fähigkeit, die Platzierung von Atomen präzise zu steuern, verbessert die Zuverlässigkeit und Effizienz von Quantenoperationen und ebnet den Weg für leistungsfähigere und skalierbarere Quantencomputer.
Ihr Quantensimulator hat bereits die Entdeckung neuer Quantenphasen der Materie ermöglicht und detaillierte Ansichten von Quantenphasenübergängen.
Rekonfigurierbare neutrale Atom-Arrays waren erneut die Schlüsseltechnologie in einer weiteren bedeutenden QSA-Studie, die in Natur im Jahr 2023, bei dem Forscher genaue verschränkte logische Gatter entwickelten und Zwei-Qubit-Operationen mit einer Genauigkeit von 99,5 % erreichten. Die Genauigkeit, ein Maß dafür, wie genau eine Quantenoperation ausgeführt wird, ist für den Bau und die Skalierung zuverlässiger Quantencomputer von entscheidender Bedeutung.
„Auf der Grundlage dieser Studien haben sich neutrale Atomarrays als führende Plattform für programmierbare Quantensimulationen und Quanteninformationsverarbeitung herauskristallisiert“, sagte Mikhail Lukin, Co-Direktor der Harvard Quantum Initiative und leitender Autor der Studie. „Mit der Unterstützung von QSA haben wir eine Grenze der Quanteninformationswissenschaft neu definiert.“
Die QSA-Forschungsgruppe von Harvard und MIT wandte die Erkenntnisse aus diesen beiden früheren Studien an und veröffentlichte kürzlich in Zusammenarbeit mit QuEra Computing neue experimentelle Ergebnisse in Natur zeigt, wie rekonfigurierbare Atom-Arrays zu grundlegenden Verbesserungen bei Fehlerkorrekturtechniken führen können, die für zuverlässiges Quantencomputing von entscheidender Bedeutung sind.
Durch eine effektivere Fehlerbehebung kann der Quantenprozessor komplexere Berechnungen mit höherer Genauigkeit durchführen. Diese neueste Studie untersucht innovative wissenschaftliche Ansätze zur Verbesserung der Robustheit von Quantensystemen und erweitert damit die Grenzen des Fachgebiets.
In einer anderen Studie, die von einem interdisziplinären Team der University of Chicago, Harvard, Caltech und der University of Arizona durchgeführt wurde, entwickelten Forscher eine experimentelle und theoretische Blaupause für eine spezielle Art von Fehlerminderungscodes, die als Quantum Low-Density Parity-Check (qLDPC) bekannt sind und für die Skalierung von Quantenalgorithmen nützlich sind.
In der Studie bewältigten diese qLDPC-Codes Fehler effizient, indem sie neutrale Atome als Kerntechnologie verwendeten, eine Aufgabe, die normalerweise Tausende logischer Qubits erfordern würde. Durch die Simulation der Neuanordnung von Atomen konnten die Forscher den Overhead reduzieren, sodass das System eine hohe Leistung aufrechterhalten konnte, ohne übermäßige Ressourcen zu benötigen.
„Die von QSA unterstützten grundlegenden wissenschaftlichen Untersuchungen waren für diese Fortschritte von zentraler Bedeutung“, sagte Lukin. „Durch die Zusammenarbeit mit QSA konnten wir zusammenarbeiten und auf die Ressourcen verschiedener Institutionen und Fachrichtungen zugreifen, die wir brauchten, um das gesamte Feld der Quanteninformationswissenschaft auf die nächste Ebene zu bringen.“
QSA ist eine der fünf Nationale Forschungszentren für Quanteninformationswissenschaft, die sich auf alle drei wichtigen Technologien des Quantencomputings konzentrieren: supraleitende Schaltkreise, Ionenfallensysteme und neutrale Atome.
Neben der gemeinsamen Entwicklung und Konstruktion neuer Quantenhardware entwickeln die Mitglieder des QSA-Teams Software-Steuerungssysteme zum Betrieb dieser Geräte und Algorithmen für wichtige Anwendungen in Physik, Chemie, Materialien und Biologie. Durch die Zusammenarbeit in allen Aspekten der Quantentechnologie trägt das Zentrum dazu bei, das Feld von der Theorie in praxistaugliche Werkzeuge zu verwandeln.