Физики построили самый большой и точный квантовый компьютер на атомах
Квантовые компьютеры используют кубиты как базовые единицы для вычислений, где каждая частица может находиться сразу в двух состояниях — это свойство называется суперпозицией. Оно обеспечивает огромную вычислительную мощь, но делает кубиты очень хрупкими. Для решения самых сложных задач потребуется сотни тысяч таких атомов.
Физики из Калифорнийского технологического института сделали колоссальный шаг в этом направлении. Они собрали самый большой на сегодня массив кубитов — 6100 атомов цезия, удерживаемых лазерными лучами, словно в миниатюрной космической клетке. Ранее подобные массивы считались фантастикой: сотни кубитов уже считались достижением. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Команда использовала оптические «пинцеты», деля один лазер на 12 000 лучей, чтобы удерживать атомы на месте. В результате 6100 атомов расположились в аккуратной сетке, диаметр которой едва превышает миллиметр.
«На экране каждый кубит светится как маленькая звезда. Это впечатляющее зрелище, когда видишь квантовое оборудование вживую», — восхищается соавтор работы Ханна Манесч.
Важно то, что масштаб не ударил по качеству. Кубиты держали суперпозицию около 13 секунд — почти в десять раз дольше, чем предыдущие системы такого типа. А манипуляции с отдельными кубитами достигли точности 99,98 процента. Гёхэй Номура, аспирант проекта, объясняет:
«Обычно считают, что чем больше атомов, тем хуже точность. Но у нас получилось сочетание и количества, и качества».
Следующая цель — исправление ошибок и запутанность. Исследователи показали, что могут перемещать атомы на сотни микрометров, не теряя суперпозиции. Это преимущество нейтральных атомов перед жестко проводными системами, вроде сверхпроводящих цепей, и открывает путь к эффективной коррекции ошибок.
«Держать атом во время движения — все равно что пытаться не опрокинуть стакан воды, а сохранить суперпозицию при этом — как бежать осторожно, чтобы вода не разлилась»», — объясняет Манесч.
Наступает время масштабной коррекции ошибок, которая потребует тысяч физических кубитов. Аспирант Эли Батай добавляет:
«В отличие от классических битов, кубиты нельзя просто скопировать. Нужно более тонкое кодирование, устойчивое к сбоям, чтобы вычисления имели реальный смысл».
В будущем ученые планируют запутать кубиты — создать систему, где атомы действуют как единое целое. Это откроет дверь к полноценным квантовым вычислениям и моделированию экзотических явлений, от новых фаз материи до квантовых полей, формирующих пространство-время.
«Это захватывающий момент для квантовых компьютеров на нейтральных атомах», — говорит профессор Мануэль Эндрес, ведущий исследователь проекта
«Эти машины помогут понять Вселенную так, как не сможет ни одна классическая система», — добавляет Манесч
