Um grupo de pesquisa liderado pelo estudante de pós-graduação Yeelai Chew, pelo professor assistente Sylvain de Léséleuc e pelo professor Kenji Ohmori do Instituto de Ciências Moleculares, Institutos Nacionais de Ciências Naturais, está usando átomos resfriados a quase zero absoluto e presos em pinças ópticas separadas por um mícron ou assim (veja a Fig. 1). Ao manipular os átomos com uma luz laser especial por 10 picossegundos, eles conseguiram executar o portão de dois qubits mais rápido do mundo, uma operação fundamental essencial para a computação quântica, que opera em apenas 6,5 nanossegundos.
Espera-se que este computador quântico ultrarrápido, que usa lasers ultrarrápidos para manipular átomos frios presos com pinças ópticas, seja um computador quântico completamente novo que rompe as limitações dos tipos supercondutores e de íons presos atualmente em desenvolvimento.

Os resultados são publicados na edição online da Nature Photonics em 8 de agosto de 2022.

Computadores quânticos baseados em átomos frios

Computadores quânticos de átomos frios são baseados em técnicas de resfriamento e aprisionamento a laser celebradas pelos Prêmios Nobel de 1997 (S. Chu, C. Cohen-Tannoudji e W.D. Philipps, "Cooling and trapping atom with laser light") e 2018 (A. Ashkin , invenção das pinças ópticas). Essas técnicas facilitam o arranjo de arranjos de átomos frios em formas arbitrárias com pinças ópticas e permitem que cada um seja observado individualmente.

Como os átomos são sistemas quânticos naturais, eles podem facilmente armazenar bits quânticos de informação, o bloco de construção básico ("qubit") de um computador quântico (veja a Fig. 2). Além disso, esses átomos estão muito bem isolados do ambiente circundante e são independentes uns dos outros. O tempo de coerência (o tempo durante o qual a superposição quântica persiste) de um qubit pode chegar a vários segundos. Um portão de dois qubits (um elemento aritmético básico essencial para a computação quântica) é então realizado excitando um elétron do átomo em um orbital eletrônico gigante, chamado orbital de Rydberg.

Com essas técnicas, a plataforma de átomos frios surgiu como uma das candidatas mais promissoras para hardware de computador quântico, atraindo a atenção da indústria, academia e governos em todo o mundo. Em particular, tem um potencial revolucionário, pois pode ser facilmente ampliado, mantendo alta coerência em comparação com os tipos supercondutores e de íons presos que estão sendo desenvolvidos atualmente.

Portas quânticas

As portas quânticas são os elementos aritméticos básicos que compõem a computação quântica. Eles correspondem às portas lógicas como AND e OR em computadores clássicos convencionais. Existem portas de um qubit que manipulam o estado de um único qubit e portas de dois qubits que geram entrelaçamento quântico entre dois qubits. O portão de dois qubits é a fonte do desempenho de alta velocidade em computadores quânticos e é tecnicamente desafiador. A porta de dois qubits mais importante é chamada de "porta Z controlada (porta CZ)", que é uma operação que inverte a superposição quântica de um primeiro qubit de 0 + 1 para 0—1 dependendo do estado (0 ou 1 ) de um segundo qubit (veja a Fig. 3).

A precisão (fidelidade) do portão quântico é facilmente degradada pelo ruído do ambiente externo e do laser operacional, o que dificulta o desenvolvimento de computadores quânticos. Uma vez que a escala de tempo do ruído é geralmente mais lenta do que um microssegundo, se uma porta quântica suficientemente mais rápida do que isso puder ser realizada, será possível evitar a degradação da precisão do cálculo devido ao ruído e nos aproximar muito de realizar uma operação prática. computador quântico. Portanto, nos últimos 20 anos, todas as pesquisas de hardware de computador quântico têm buscado portas mais rápidas. O portão ultrarrápido de 6,5 nanossegundos alcançado por esta pesquisa com o hardware de átomo frio é mais de duas ordens de magnitude mais rápido que o ruído e, portanto, pode ignorar seus efeitos. O recorde mundial anterior era de 15 nanossegundos, alcançado pelo Google AI em 2020 com circuitos supercondutores.

Método experimental

O experimento foi conduzido usando átomos de rubídio. Primeiro, dois átomos de rubídio na fase gasosa que haviam sido resfriados a uma temperatura ultrabaixa de cerca de 1/100.000 de um Kelvin usando feixes de laser foram dispostos em um intervalo de mícron com pinças ópticas. Os pesquisadores então os irradiaram com pulsos de laser ultracurtos que emitiam luz por apenas 1/100 bilionésimo de segundo e observaram as mudanças que ocorreram. Dois elétrons presos respectivamente nos menores orbitais (5S) de dois átomos adjacentes (átomo 1 e átomo 2) foram lançados em orbitais eletrônicos gigantes (orbitais de Rydberg, aqui 43D). A interação entre esses átomos gigantes levou então a uma troca periódica de ida e volta da forma orbital e da energia do elétron ocorrendo com um período de 6,5 nanossegundos.

Após uma oscilação, as leis da física quântica determinam que o sinal da função de onda seja invertido, realizando assim a porta de dois qubits (porta Z controlada). Usando esse fenômeno, eles realizaram uma operação de porta quântica usando um qubit (Fig. 2) em que o estado eletrônico 5P é o estado "0" e o estado eletrônico 43D é o estado "1". Os átomos 1 e 2 foram preparados como qubits 1 e 2, respectivamente, e a troca de energia foi induzida usando um pulso de laser ultracurto. Durante um ciclo de troca de energia, o sinal do estado de superposição do qubit 2 foi revertido apenas quando o qubit 1 estava no estado "1" (Fig. 3). Essa inversão de sinal foi observada experimentalmente pelo grupo de pesquisa, demonstrando assim que um portão de dois qubits pode ser operado em 6,5 nanossegundos, o mais rápido do mundo.

Espera-se que a realização do portão ultrarrápido mais rápido do mundo, alcançado desta vez por um método completamente novo de "manipular dois átomos espaçados em mícrons resfriados a quase zero absoluto usando um laser ultrarrápido", acelere bastante a atenção mundial ao hardware de átomos frios. + Explorar mais

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