Pesquisadores da Technische Universität Darmstadt demonstraram recentemente a montagem livre de defeitos de padrões de alvos versáteis de até 111 sistemas quânticos de átomo único. Suas descobertas, descrito em um artigo publicado em Cartas de revisão física , poderia conduzir arquiteturas de átomos reunidos além do limite da vantagem quântica, pavimentando o caminho para novos avanços na ciência e tecnologia quântica.

"Nossa pesquisa é impulsionada pela observação de que as ciências físicas estão bem no meio de uma mudança de paradigma em que a aplicação da física quântica, ou seja, tecnologias quânticas, estão se tornando as tecnologias líderes em um futuro próximo, "Gerhard Birkl, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Uma vasta lista de aplicativos já é previsível, mas estou convencido de que, da maioria dos aplicativos, nem temos conhecimento."

O próximo passo para o campo da ciência e tecnologia quântica é o desenvolvimento de plataformas experimentais que oferecem ampla escalabilidade, correlações quânticas multisite e correção de erros quânticos eficiente. Ao longo do último século ou assim, pesquisadores realizaram uma quantidade substancial de trabalho em sistemas quânticos únicos, lançando as bases para os desenvolvimentos atuais. Os sistemas quânticos atômicos têm desempenhado um papel fundamental nesses estudos, átomos particularmente neutros presos pela luz, pois fornecem sistemas quânticos bem isolados com escala favorável.

"Para as próximas gerações de tecnologias quânticas, indo para vários sistemas quânticos, ou seja, aumentar o tamanho do sistema é fundamental, "Birkl disse." Por essa razão, nós nos demos a diretiva para desenvolver uma nova plataforma que forneça arquiteturas altamente escaláveis ​​para sistemas quânticos atômicos com controle total de todos os parâmetros relevantes para o avanço das tecnologias quânticas de última geração. "

Ao desenvolver a base tecnológica para seu experimento, Birkl e seus alunos envolvidos no estudo se concentraram em átomos neutros resfriados a laser com armadilhas ópticas, já que se beneficiam das descobertas científicas dos últimos 25 anos. Essas descobertas incluem resfriamento e aprisionamento a laser, Condensação de Bose-Einstein, a manipulação de sistemas quânticos individuais, e pinças ópticas.

"Finalmente, percebemos que a combinação desses desenvolvimentos científicos com tecnologias ópticas avançadas, como microfabricação de matrizes em grande escala de microlentes, gera uma plataforma ideal para o avanço de tecnologias quânticas escalonáveis, "Birkl disse." O ponto central de nosso trabalho é que aplicamos uma nova arquitetura experimental na qual geramos um padrão 2-D de armadilhas ópticas para átomos neutros com base em matrizes 2-D de microlentes. "

Usando um grande feixe de laser que ilumina muitas lentes, os pesquisadores foram capazes de gerar várias armadilhas a laser simultaneamente. Eles geraram até 400 dessas armadilhas em paralelo e foram capazes de lidar com elas individualmente.

Seu experimento teve várias etapas. Birkl e seus colegas começaram criando uma nuvem de átomos de rubídio em um sistema de vácuo à temperatura ambiente, usando uma armadilha magneto-óptica (MOT). Isso permitiu que gerassem vários milhões de átomos de rubídio a uma temperatura de cerca de 100 microKelvin. Subseqüentemente, eles ativaram o padrão de armadilhas a laser e transferiram átomos para essas armadilhas, com um máximo de 1 átomo por armadilha.

"Geramos padrões que consistem em locais de armadilha com exatamente um ou zero átomos, "Birkl explicou." Em seguida, tiramos uma imagem do padrão e isso nos permitiu identificar os locais ocupados (o que não exigiu nenhuma ação adicional) e os locais vazios. "

Depois de determinar quais locais estavam ocupados e quais vagos, os pesquisadores preencheram todos os sites vazios; pegar um único átomo de um local preenchido fora do padrão de destino e transportá-lo para um local vazio no padrão de destino. Este processo de transporte foi realizado usando um feixe de laser de foco único que pode se mover em 2-D por todo o conjunto de armadilhas.

"Isso funciona como uma pinça feita de luz, por essa razão, eles são chamados de "pinças ópticas" e são invenção do Dr. Arthur Ashkin, que recebeu parte do Prêmio Nobel de Física de 2018 por esta invenção, "Birkl disse." Depois de aplicar a pinça em todos os locais vazios, pegamos outra imagem da distribuição do átomo e determinamos o sucesso do processo de geração de padrões de átomos sem defeitos. Caso ainda tenhamos sites vazios, repetimos o processo de montagem mais uma vez. Podemos fazer isso até 80 vezes em uma execução experimental, que é outra razão para nosso sucesso em gerar grandes padrões sem defeitos com alta probabilidade. "

Em seu estudo, os pesquisadores operaram em um grande número de armadilhas (361), colocado em uma grade quadrada de 19x19, o que correspondeu a um número substancial de átomos individuais (aproximadamente 200) e isso permitiu que eles repetissem o processo de montagem várias vezes. Todos esses fatores, em última análise, os ajudaram a quebrar o recorde anterior para a montagem de sistemas quânticos de átomo único.

"A escalabilidade dos sistemas físicos usados ​​é fundamental para um maior progresso neste campo, "Birkl disse." Fomos capazes de aumentar significativamente o tamanho do padrão e a probabilidade de sucesso de sistemas baseados em átomos neutros. Nenhum experimento relacionado demonstrou mais de 72 qubits antes, desnecessário dizer mais de 100, ou mesmo 111. Nossa plataforma tem a perspectiva explícita de ser escalável muito além desses números. "

A supremacia quântica normalmente requer mais de 50 qubits, no entanto, até agora, apenas alguns experimentos de tecnologia quântica foram capazes de ultrapassar esse limite. Em seu experimento, os pesquisadores chegaram a um total de 111 qubits com um plano claro de como ultrapassar ainda mais esse número. Esta é uma evidência da escalabilidade de sua plataforma experimental.

"Além disso, poderíamos entrar no regime de supremacia quântica com altas taxas de sucesso, como demonstramos uma taxa de sucesso de mais de 60% para um padrão com 8x8 =64 qubits, "Birkl acrescentou." Com a duração de uma execução experimental de 1 segundo, isso dá uma nova configuração livre de defeitos para processamento quântico no regime de supremacia quântica a cada dois segundos. "

O estudo realizado por Birkl e sua equipe pode ter implicações importantes para vários subcampos da pesquisa de tecnologia quântica, incluindo simulação quântica e computação quântica. Os pesquisadores agora estão planejando expandir sua plataforma para 1000 sistemas quânticos, também adicionando a capacidade de iniciar portas quânticas de dois qubit entre os átomos para construir um processador quântico 2-D baseado nas interações de Rydberg. Desta maneira, eles também esperam implementar computação quântica em grande escala e simulações quânticas usando sua plataforma experimental.

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