Физики научились увеличивать мощность квантовых компьютеров с преодолением «шума»

Группа американских исследователей из Университета Колумбии объявила о разработке подхода, способного значительно расширить возможности квантовых компьютеров. В опубликованной в журнале Nature статье описана технология, сочетающая лазерные «оптические пинцеты» и метаповерхности — особые пластины, формирующие свет — для создания массивов нейтральных атомов, которые могут действовать как кубиты. 

Квантовые компьютеры и роль кубитов

Классические компьютеры опираются на биты, которые могут быть либо 0, либо 1. В квантовых вычислениях основная единица — кубит, который благодаря принципам квантовой механики может находиться сразу в нескольких состояниях одновременно. Это дает квантовым устройствам огромный потенциал для задач, которые недоступны обычным компьютерам, например моделирование сложных молекулярных систем, оптимизация логистики и дешифровка защищенной информации.

Однако на практике квантовые системы остаются неустойчивыми и «шумными»: чем больше кубитов, тем сложнее удерживать их состояние без ошибок. Современные эксперименты с несколькими сотнями кубитов уже сталкиваются с этим пределом, и путь к десяткам тысяч требует новых методов.

Нейтральные атомы и оптические пинцеты

Одним из перспективных подходов являются массы нейтральных атомов. Атомы захватывают и удерживают с помощью сфокусированных лазерных лучей, которые называют оптическими пинцетами. Эти пинцеты действуют как ловушки: свет «улавливает» отдельные атомы и удерживает их в нужном месте.

Каждый такой атом можно использовать как кубит. Проблема в том, что традиционные методы создания массивов этих ловушек ограничены размерами и сложностью аппаратуры. Они требуют громоздких и дорогих компонентов, таких как пространственные модуляторы света или акустооптические дефлекторы, которые создают одно сфокусированное лазерное пятно за другим. Это затрудняет создание массивов из миллионов пинцетов.

Революция с метаповерхностями

Решение предложили в виде метаповерхностных оптических пинцетов. Метаповерхности — это тонкие пластины, которые содержат миллионы наноскопических элементов — «пикселей», каждый из которых может изменить фазу или направление света.

Когда лазерный луч проходит через такую метаповерхность, ее пиксели формируют сразу тысячи или даже сотни тысяч сфокусированных пятен света. Эти пятна действуют как пинцеты, захватывая атомы в заданных позициях, формируя требуемый массив.

«Метаповерхности можно рассматривать как суперпозицию огромного числа плоских линз, расположенных в одной плоскости, каждая из которых формирует свое фокусное пятно», — объясняет один из авторов исследования.

Ученые создали метаповерхность размером 3,5 мм, содержащую более 100 миллионов пикселей, способную генерировать массив из 360 000 пинцетов — на два порядка больше существующих технологий. Это означает огромный шаг к созданию сверхкрупных квантовых систем.

Лазеры и экстремальные условия

Метаповерхности выполнены из нитрида кремния и диоксида титана, что позволяет им выдерживать очень интенсивный лазерный свет — более 2000 Вт/мм², что примерно в миллион раз интенсивнее, чем солнечный свет на поверхности Земли. Такая прочность делает их пригодными для создания стабильных массивов пинцетов в лабораторной практике.

Это не просто теоретическая идея: команда уже захватила 1000 атомов стронция в массив пинцетов, доказав жизнеспособность подхода в масштабах, которые значительно превосходят существующие системы. Атомы распределены в разных конфигурациях — квадратную решетку, круг и даже более сложные структуры, демонстрирующие гибкость метода.

Почему это важно

До сих пор удержание больших массивов атомов ограничивалось техническими возможностями лазерных систем. Но новая платформа сочетает два ключевых преимущества:

• возможность создавать огромные массивы нейтральных атомов без необходимости сложной синхронизации гигантского числа лазерных элементов.
• масштабируемость, которая может привести к созданию квантовых компьютеров с десятками тысяч кубитов, а возможно, и более.

Это особенно важно, потому что современные квантовые процессоры, даже с несколькими сотнями кубитов, сталкиваются с ошибками и шумом, мешающими выполнять полезные вычисления. Новый подход может не только увеличить размер системы, но и упростить её архитектуру, уменьшив количество источников ошибок.

Перспективы применения

Массивы нейтральных атомов с метаповерхностями не ограничиваются квантовыми компьютерами. Они могут использоваться для:

• квантовых симуляторов — устройств, моделирующих сложные физические системы.
• оптических атомных часов — сверхточных хронометров для навигации и фундаментальной физики.
• исследований фундаментальной физики — изучения взаимодействия света и материи на квантовом уровне.

Каждое из этих направлений требует большого числа кубитов или аналогичных квантовых элементов, а значит, выгоды от масштабируемой платформы очевидны.

Квантовый компьютер перешел важный рубеж от теоретических задач к практическим

Представлен Helios — самый точный и мощный квантовый компьютер в мире