Die Verwendung zweier unterschiedlicher Elemente schafft neue Möglichkeiten in hybriden atomaren Quantencomputern

Qubits, die Bausteine ​​von Quantencomputern, können aus vielen verschiedenen Technologien hergestellt werden. Eine Möglichkeit, ein Qubit herzustellen, besteht darin, ein einzelnes neutrales Atom mit einem fokussierten Laser an Ort und Stelle einzufangen, eine Technik, die 2018 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde.

Aber um aus neutralen Atom-Qubits einen Quantencomputer zu machen, müssen viele einzelne Atome von vielen Laserstrahlen an Ort und Stelle gefangen werden. Bisher wurden diese Arrays nur aus Atomen eines einzelnen Elements konstruiert, aus Sorge, dass die Herstellung eines Arrays aus zwei Elementen unerschwinglich komplex wäre.

Aber zum ersten Mal haben Forscher der University of Chicago eine hybride Anordnung neutraler Atome aus zwei verschiedenen Elementen geschaffen, wodurch die potenziellen Anwendungen des Systems in der Quantentechnologie erheblich erweitert werden. Die Ergebnisse wurden teilweise vom NSF Quantum Leap Challenge Institute Hybrid Quantum Architectures and Networks (HHAN) finanziert und in veröffentlicht Körperliche Überprüfung X.

„Es gab viele Beispiele für Quantentechnologie, die einen hybriden Ansatz gewählt haben“, sagte Hannes Bernien, leitender Forscher des Projekts und Assistenzprofessor an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago. „Aber sie wurden noch nicht für diese neutralen Atomplattformen entwickelt. Wir freuen uns sehr zu sehen, dass unsere Ergebnisse eine sehr positive Resonanz in der Community ausgelöst haben und dass neue Protokolle unter Verwendung unserer Hybridtechniken entwickelt werden.“

Verdoppeln Sie das Potenzial

Während künstliche Qubits wie supraleitende Schaltkreise eine Qualitätskontrolle erfordern, um vollkommen konsistent zu bleiben, haben neutrale Atome, die aus einem einzigen Element bestehen, alle genau die gleichen Eigenschaften, was sie zu idealen, konsistenten Kandidaten für Qubits macht.

Da aber jedes Atom im Array dieselben Eigenschaften hat, ist es extrem schwierig, ein einzelnes Atom zu messen, ohne seine Nachbarn zu stören – sie befinden sich sozusagen alle auf derselben Frequenz.

„In den letzten Jahren gab es einige Meilensteinexperimente, die zeigen, dass atomare Array-Plattformen hervorragend für die Quantensimulation und auch für die Quantenberechnung geeignet sind“, sagte Bernien. „Aber Messungen an diesen Systemen sind eher destruktiv, da alle Atome die gleichen Resonanzen haben. Dieser neue hybride Ansatz kann in diesem Fall wirklich nützlich sein.“

In einer Hybridanordnung aus Atomen zweier verschiedener Elemente können die nächsten Nachbarn jedes Atoms Atome des anderen Elements mit völlig unterschiedlichen Frequenzen sein. Dies macht es für Forscher viel einfacher, ein einzelnes Atom zu messen und zu manipulieren, ohne von den Atomen um es herum gestört zu werden.

Es ermöglicht den Forschern auch, eine Standardkomplikation von Atomarrays zu umgehen: Es ist sehr schwierig, ein Atom sehr lange an einem Ort zu halten.

„Wenn Sie diese Experimente mit den einzelnen Atomen durchführen, verlieren Sie irgendwann die Atome“, sagte Bernien. „Und dann muss man sein System immer neu initialisieren, indem man zuerst eine neue, kalte Wolke aus Atomen erzeugt und darauf wartet, dass einzelne wieder von den Lasern eingefangen werden. Aber aufgrund dieses hybriden Designs können wir Experimente mit diesen Spezies separat durchführen . Wir können ein Experiment mit Atomen eines Elements durchführen, während wir die anderen Atome auffrischen und dann umschalten, sodass wir immer Qubits zur Verfügung haben.“

Bau eines größeren Quantencomputers

Die von Berniens Gruppe geschaffene Hybridanordnung enthält 512 Laser: 256 mit Cäsiumatomen und 256 mit Rubidiumatomen. Bei Quantencomputern sind das viele Qubits: Google und IBM, deren Quantencomputer aus supraleitenden Schaltkreisen und nicht aus gefangenen Atomen bestehen, haben nur etwa 130 Qubits erreicht. Obwohl Berniens Gerät noch kein Quantencomputer ist, lassen sich Quantencomputer aus atomaren Arrays viel einfacher skalieren, was zu einigen wichtigen neuen Erkenntnissen führen könnte.

„Wir wissen eigentlich nicht, was passiert, wenn man ein sehr kohärentes System skaliert, das man sehr gut von der Umgebung isolieren kann“, sagte Bernien. „Dieser Ansatz mit eingeschlossenen Atomen kann ein wunderbares Werkzeug sein, um Quanteneffekte großer Systeme in unbekannten Regimen zu untersuchen.“

Die hybride Natur dieser Anordnung öffnet auch die Tür zu vielen Anwendungen, die mit einer einzelnen Atomart nicht möglich wären. Da die beiden Arten unabhängig voneinander steuerbar sind, können die Atome eines Elements als Quantenspeicher verwendet werden, während das andere für Quantenberechnungen verwendet werden kann, wobei es die jeweiligen Rollen von RAM und einer CPU auf einem typischen Computer übernimmt.

„Unsere Arbeit hat Theoretiker bereits dazu inspiriert, über neue Protokolle dafür nachzudenken, was genau meine Hoffnung war“, sagte Bernien. „Ich hoffe, es wird die Leute dazu inspirieren, darüber nachzudenken, wie diese Tools für Messungen und Zustandskontrolle verwendet werden können. Wir haben bereits wirklich coole Protokolle gesehen, die wir sehr gerne auf diesen Arrays implementieren.“