Συστοιχίες ατόμων εμφανίζονται ως υποψήφια σκοτεινά άλογα για να τροφοδοτήσουν τους κβαντικούς υπολογιστές

Σε ένα μικρό υπόγειο εργαστήριο, ο Χάρι Λέβιν, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ στη φυσική, μπορεί να συναρμολογήσει έναν υποτυπώδη υπολογιστή σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Δεν υπάρχει τσιπ επεξεργαστή στον ορίζοντα. Ο υπολογιστής του τροφοδοτείται από 51 άτομα ρουβιδίου που βρίσκονται σε μια γυάλινη κυψέλη στο μέγεθος ενός σπιρτόκουτου. Για να δημιουργήσει τον υπολογιστή του, ευθυγραμμίζει τα άτομα σε ένα μόνο αρχείο, χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ χωρισμένο σε 51 δέσμες. Περισσότερα λέιζερ - έξι ακτίνες ανά άτομο - επιβραδύνουν τα άτομα μέχρι να είναι σχεδόν ακίνητα. Στη συνέχεια, με ένα ακόμη σύνολο λέιζερ, ωθεί τα άτομα να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους και, καταρχήν, να εκτελέσει υπολογισμούς.

Είναι ένας κβαντικός υπολογιστής, ο οποίος χειρίζεται "qubits" που μπορούν να κωδικοποιήσουν μηδενικά και ένα ταυτόχρονα σε αυτό που ονομάζεται κατάσταση υπέρθεσης. Εάν κλιμακωθεί, ενδέχεται να ξεπεράσει κατά πολύ τους συμβατικούς υπολογιστές σε ορισμένες εργασίες. Αλλά στον κόσμο των κβαντικών υπολογιστών, η συσκευή του Levine είναι κάπως ασυνήθιστη. Στον αγώνα για την κατασκευή μιας πρακτικής κβαντικής συσκευής, η επένδυση έχει γίνει σε μεγάλο βαθμό σε qubits που μπορούν να κατασκευαστούν σε πυρίτιο, όπως μικροσκοπικά κυκλώματα υπεραγώγιμου σύρματος και μικρές δομές ημιαγωγών γνωστές ως κβαντικές κουκκίδες. Τώρα, δύο πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει την υπόσχεση των qubits με τα οποία ο Levine λειτουργεί:ουδέτερα άτομα. Σε μια μελέτη, μια ομάδα συμπεριλαμβανομένου του Levine έδειξε ότι μια κβαντική λογική πύλη από δύο ουδέτερα άτομα μπορούσε να λειτουργήσει με πολύ λιγότερα σφάλματα από ποτέ. Και σε ένα άλλο, οι ερευνητές κατασκεύασαν τρισδιάστατες δομές από προσεκτικά διατεταγμένα άτομα, δείχνοντας ότι περισσότερα qubits μπορούν να συσκευαστούν σε ένα μικρό χώρο εκμεταλλευόμενοι την τρίτη διάσταση.

Οι πρόοδοι, μαζί με την άφιξη της χρηματοδότησης επιχειρηματικού κεφαλαίου, υποδηλώνουν ότι τα ουδέτερα άτομα θα μπορούσαν να βρίσκονται σε άνοδο, λέει η Dana Anderson, Διευθύνων Σύμβουλος της ColdQuanta, μιας εταιρείας με έδρα το Boulder του Κολοράντο που αναπτύσσει έναν κβαντικό υπολογιστή βασισμένο σε άτομα. «Κάναμε την εργασία μας», λέει ο Άντερσον. "Αυτό είναι πραγματικά στην αρένα της μηχανικής τώρα."

Επειδή τα ουδέτερα άτομα στερούνται ηλεκτρικού φορτίου και αλληλεπιδρούν απρόθυμα με άλλα άτομα, φαίνεται να παράγουν φτωχά qubits. Αλλά χρησιμοποιώντας ειδικά χρονισμένους παλμούς λέιζερ, οι φυσικοί μπορούν να διεγείρουν το εξώτατο ηλεκτρόνιο ενός ατόμου και να το απομακρύνουν από τον πυρήνα, διογκώνοντας το άτομο σε δισεκατομμύρια φορές το συνηθισμένο του μέγεθος. Μόλις βρεθεί σε αυτή τη λεγόμενη κατάσταση Rydberg, το άτομο συμπεριφέρεται περισσότερο σαν ιόν, αλληλεπιδρώντας ηλεκτρομαγνητικά με γειτονικά άτομα και εμποδίζοντάς τα να γίνουν τα ίδια άτομα Rydberg.

Οι φυσικοί μπορούν να εκμεταλλευτούν αυτή τη συμπεριφορά για να δημιουργήσουν εμπλοκή - την κβαντική κατάσταση αλληλεξάρτησης που απαιτείται για την εκτέλεση ενός υπολογισμού. Εάν δύο γειτονικά άτομα διεγείρονται σε υπέρθεση, όπου και τα δύο βρίσκονται εν μέρει σε κατάσταση Rydberg και εν μέρει στη βασική τους κατάσταση, μια μέτρηση θα συμπτύξει τα άτομα στη μία ή στην άλλη κατάσταση. Επειδή όμως μόνο ένα από τα άτομα μπορεί να βρίσκεται στην κατάστασή του Rydberg, τα άτομα είναι μπλεγμένα, με την κατάσταση του ενός να εξαρτάται από την κατάσταση του άλλου.

Μόλις εμπλακούν, τα ουδέτερα άτομα προσφέρουν κάποια εγγενή πλεονεκτήματα. Τα άτομα δεν χρειάζονται ποιοτικό έλεγχο:Είναι εξ ορισμού πανομοιότυπα. Είναι πολύ μικρότερα από τα qubits με βάση το πυρίτιο, πράγμα που σημαίνει, θεωρητικά, περισσότερα qubits μπορούν να συσκευαστούν σε ένα μικρό χώρο. Τα συστήματα λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ τα υπεραγώγιμα qubits πρέπει να τοποθετηθούν μέσα σε έναν ογκώδη καταψύκτη. Και επειδή τα ουδέτερα άτομα δεν αλληλεπιδρούν εύκολα, είναι πιο άνοσα στον εξωτερικό θόρυβο και μπορούν να κρατήσουν τις κβαντικές πληροφορίες για σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα. «Τα ουδέτερα άτομα έχουν μεγάλες δυνατότητες», λέει ο Μαρκ Σάφμαν, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν στο Μάντισον. "Από άποψη φυσικής, [θα μπορούσαν να προσφέρουν] ευκολότερη κλιμάκωση και τελικά καλύτερη απόδοση."

Εμπλέξιμο ατόμων

Οι δύο νέες μελέτες ενισχύουν αυτούς τους ισχυρισμούς. Κατασκευάζοντας λέιζερ καλύτερης ποιότητας, ο Levine και οι συνεργάτες του, με επικεφαλής τον φυσικό Mikhail Lukin στο Χάρβαρντ, μπόρεσαν να προγραμματίσουν με ακρίβεια μια λογική πύλη ατόμων δύο ρουβιδίου το 97% των περιπτώσεων, αναφέρουν σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στις 20 Σεπτεμβρίου στο Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης. Αυτό φέρνει τη μέθοδο πιο κοντά στην απόδοση των υπεραγώγιμων qubits, τα οποία ήδη επιτυγχάνουν ποσοστά πιστότητας πάνω από 99%. Σε μια δεύτερη μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Nature Στις 5 Σεπτεμβρίου, ο Antoine Browaeys από το εργαστήριο Charles Fabry κοντά στο Παρίσι και οι συνάδελφοί του επέδειξαν ένα άνευ προηγουμένου επίπεδο ελέγχου σε μια τρισδιάστατη διάταξη 72 ατόμων. Για να δείξουν τον έλεγχό τους, τακτοποίησαν ακόμη και τα άτομα στο σχήμα του Πύργου του Άιφελ. Ένας άλλος δημοφιλής τύπος qubit, τα ιόντα, είναι συγκρίσιμα μικρά. Αλλά δεν μπορούν να στοιβάζονται τόσο πυκνά επειδή απωθούν ο ένας τον άλλον, αναγνωρίζει ο Crystal Senko, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Waterloo στον Καναδά που εργάζεται σε κβαντικούς υπολογιστές ιόντων.

Δεν είναι όλοι πεπεισμένοι. Σε σύγκριση με άλλα qubits, τα ουδέτερα άτομα τείνουν να μην μένουν στη θέση τους, λέει ο Varun Vaidya, ένας φυσικός στο Xanadu, μια εταιρεία κβαντικών υπολογιστών στο Τορόντο του Καναδά, που κατασκευάζει κβαντικές συσκευές με qubits φωτονίων. «Το μεγαλύτερο ζήτημα είναι απλώς να κρατάμε τα άτομα», λέει. Εάν ένα άτομο πέσει στη θέση του, το αυτοματοποιημένο σύστημα λέιζερ του Lukin μπορεί να επανασυναρμολογήσει τα άτομα σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο, αλλά ο Vaidya λέει ότι αυτό μπορεί να απαγορεύει στις συσκευές να εκτελούν μεγαλύτερες εργασίες. "Αυτή τη στιγμή, κανείς δεν ξέρει ποιο θα είναι το καλύτερο qubit", λέει ο Senko. "Η ουσία είναι ότι όλοι έχουν τα προβλήματά τους."

Ωστόσο, η ColdQuanta έλαβε πρόσφατα 6,75 εκατομμύρια δολάρια σε επιχειρηματική χρηματοδότηση. Μια άλλη startup, η Atom Computing, με έδρα το Μπέρκλεϊ της Καλιφόρνια, συγκέντρωσε 5 εκατομμύρια δολάρια. Ο διευθύνων σύμβουλος Ben Bloom λέει ότι η εταιρεία θα επιδιώξει qubits κατασκευασμένα από άτομα με δύο ηλεκτρόνια σθένους αντί για ένα ρουβιδίου, όπως ασβέστιο και στρόντιο. Ο Bloom πιστεύει ότι αυτά τα άτομα θα επιτρέψουν τη δημιουργία qubits μεγαλύτερης διάρκειας. Ο Lukin λέει ότι ενδιαφέρεται επίσης να εμπορευματοποιήσει την τεχνολογία του ομίλου του.

Οι νεοφυείς επιχειρήσεις, καθώς και ο όμιλος του Saffman, στοχεύουν στην κατασκευή πλήρως προγραμματιζόμενων κβαντικών υπολογιστών. Προς το παρόν, ο Lukin θέλει η ομάδα του να επικεντρωθεί στην κατασκευή κβαντικών προσομοιωτών, ενός πιο περιορισμένου είδους υπολογιστή που ειδικεύεται στην επίλυση συγκεκριμένων προβλημάτων βελτιστοποίησης προετοιμάζοντας τα qubits με συγκεκριμένο τρόπο και αφήνοντάς τα να εξελιχθούν φυσικά. Ο Levine λέει ότι η συσκευή του ομίλου του θα μπορούσε, για παράδειγμα, να βοηθήσει τους μηχανικούς τηλεπικοινωνιών να καταλάβουν πού να τοποθετήσουν ραδιοφωνικούς πύργους για να ελαχιστοποιήσουν το κόστος και να μεγιστοποιήσουν την κάλυψη. «Θα προσπαθήσουμε να κάνουμε κάτι χρήσιμο με αυτές τις συσκευές», λέει ο Levine. "Οι άνθρωποι δεν γνωρίζουν ακόμα τι μπορούν να κάνουν τα κβαντικά συστήματα."

Τα επόμενα δύο χρόνια, αυτός και οι συνάδελφοί του πιστεύουν ότι οι συσκευές ουδέτερου ατόμου θα μπορούσαν να δώσουν μια απάντηση.