Onderzoekers van de Technische Universität Darmstadt hebben onlangs de defectvrije assemblage van veelzijdige doelpatronen van maximaal 111 kwantumsystemen met één atoom aangetoond. Hun bevindingen, beschreven in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , geassembleerde atoomarchitecturen voorbij de drempel van kwantumvoordeel zou kunnen drijven, de weg vrijmaken voor nieuwe doorbraken in de kwantumwetenschap en -technologie.

"Ons onderzoek wordt gedreven door de observatie dat de natuurwetenschappen zich midden in een paradigmaverschuiving bevinden waarin de toepassing van de kwantumfysica, dat wil zeggen kwantumtechnologieën, in de nabije toekomst de leidende technologieën worden, "Gerhard Birkel, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Er is al een enorme lijst met toepassingen te verwachten, maar ik ben ervan overtuigd dat we van de meeste toepassingen niet eens op de hoogte zijn."

De volgende stap op het gebied van kwantumwetenschap en technologie is de ontwikkeling van experimentele platforms die uitgebreide schaalbaarheid bieden, multisite kwantumcorrelaties en efficiënte kwantumfoutcorrectie. In de afgelopen eeuw of zo, onderzoekers hebben een aanzienlijke hoeveelheid werk verricht aan enkelvoudige kwantumsystemen, het leggen van de basis voor de huidige ontwikkelingen. Atomaire kwantumsystemen hebben een sleutelrol gespeeld in deze studies, bijzonder neutrale atomen gevangen door licht, omdat ze goed geïsoleerde kwantumsystemen met gunstige schaalbaarheid bieden.

"Voor de komende generaties kwantumtechnologieën, naar meerdere kwantumsystemen gaan, d.w.z. het opschalen van de systeemgrootte is cruciaal, Birkl zei. "Om die reden hebben we onszelf de opdracht gegeven om een ​​nieuw platform te ontwikkelen dat zeer schaalbare architecturen biedt voor atomaire kwantumsystemen met volledige controle over alle relevante parameters voor geavanceerde kwantumtechnologieën."

Bij het ontwikkelen van de technologische basis voor hun experiment, Birkl en zijn studenten die bij het onderzoek betrokken waren, concentreerden zich op lasergekoelde neutrale atomen met in optische vallen, omdat deze profiteren van wetenschappelijke doorbraken van de afgelopen 25 jaar. Deze doorbraken omvatten laserkoeling en trapping, Bose-Einstein condensatie, de manipulatie van individuele kwantumsystemen, en optische pincetten.

"Eindelijk, we realiseerden ons dat de combinatie van deze wetenschappelijke ontwikkelingen met geavanceerde optische technologieën zoals microfabricage van grootschalige reeksen microlenzen een ideaal platform genereert voor de vooruitgang van schaalbare kwantumtechnologieën, "Zei Birkl. "Centraal in ons werk is dat we een nieuwe experimentele architectuur toepassen waarin we een 2D-patroon van optische vallen voor neutrale atomen genereren op basis van 2D-arrays van microlenzen."

Met behulp van een grote laserstraal die veel lenzen verlicht, de onderzoekers waren in staat om meerdere laservallen tegelijk te genereren. Ze genereerden tot 400 van deze vallen parallel en waren vervolgens in staat om ze afzonderlijk aan te pakken.

Hun experiment bestond uit verschillende stappen. Birkl en zijn collega's begonnen met het creëren van een wolk van rubidium-atomen in een vacuümsysteem op kamertemperatuur, met behulp van een magneto-optische val (MOT). Hierdoor konden ze enkele miljoenen rubidiumatomen genereren bij een temperatuur van ongeveer 100 microKelvin. Vervolgens, ze zetten het patroon van laservallen aan en brachten atomen naar deze vallen, met een maximum van 1 atoom per val.

"We hebben patronen gegenereerd die bestaan ​​uit valplaatsen met precies één of nul atomen, " legde Birkl uit. "Vervolgens, we hebben een afbeelding van het patroon gemaakt en hierdoor konden we de bezette sites (waarvoor geen verdere actie nodig was) en lege sites identificeren."

Toen ze eenmaal hadden vastgesteld welke locaties bezet waren en welke leeg, de onderzoekers vulden alle lege sites; het oppakken van een enkel atoom uit een gevulde plaats buiten het doelpatroon en transporteren naar een lege plaats in het doelpatroon. Dit transportproces werd uitgevoerd met behulp van een laserstraal met één focus die in 2D door de hele trap-array kon bewegen.

"Dit werkt als een pincet gemaakt van licht, om die reden worden ze 'optisch pincet' genoemd en zijn ze de uitvinding van Dr. Arthur Ashkin die een deel van de Nobelprijs voor natuurkunde 2018 ontving voor deze uitvinding, ' zei Birkl. 'Nadat ik het pincet voor alle lege plekken had aangebracht, we nemen nog een afbeelding van de atoomverdeling en bepalen het succes van het proces van het genereren van defectvrije atoompatronen. Mochten we nog lege sites hebben, we herhalen het montageproces nog een keer. We kunnen dit tot 80 keer doen in één experiment, dat is nog een reden voor ons succes bij het genereren van grote defectvrije patronen met een hoge waarschijnlijkheid."

In hun studie hebben de onderzoekers opereerden op een groot aantal vallen (361) geplaatst in een vierkant raster van 19x19, wat overeenkwam met een aanzienlijk aantal afzonderlijke atomen (ongeveer 200) en hierdoor konden ze het assemblageproces talloze keren herhalen. Al deze factoren hielpen hen uiteindelijk bij het breken van het vorige record voor de assemblage van kwantumsystemen met één atoom.

"De schaalbaarheid van de gebruikte fysieke systemen is cruciaal voor verdere vooruitgang op dit gebied, " zei Birkl. "We waren in staat om de patroongrootte en de kans op succes van systemen op basis van neutrale atomen aanzienlijk te vergroten. Geen enkel gerelateerd experiment heeft eerder meer dan 72 qubits aangetoond, onnodig te zeggen meer dan 100, of zelfs 111. Ons platform heeft het expliciete vooruitzicht om schaalbaar te zijn, zelfs veel verder dan dat aantal."

Quantum suprematie vereist doorgaans meer dan 50 qubits, maar tot nu toe waren slechts enkele experimenten met kwantumtechnologie in staat om deze drempel te overschrijden. In hun experiment hebben de onderzoekers bereikten in totaal 111 qubits met een duidelijk plan om dit aantal verder te overschrijden. Dit is het bewijs van de schaalbaarheid van hun experimentele platform.

"In aanvulling, we zouden in het regime van kwantum suprematie kunnen komen met hoge slagingspercentages, omdat we een succespercentage van meer dan 60% hebben aangetoond voor een patroon met 8x8 =64 qubits, Birkl voegde toe. "Met de duur van een experimentele run van 1 seconde, dit geeft elke twee seconden een nieuwe defectvrije configuratie voor kwantumverwerking in het regime van kwantumsuprematie."

De studie van Birkl en zijn team zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor verschillende deelgebieden van het onderzoek naar kwantumtechnologie, inclusief kwantumsimulatie en kwantumcomputing. De onderzoekers zijn nu van plan hun platform op te schalen naar 1000 kwantumsystemen, ook de mogelijkheid toegevoegd om twee-qubit kwantumpoorten tussen atomen te initiëren om een ​​2D kwantumprocessor te bouwen op basis van Rydberg-interacties. Op deze manier, ze hopen ook grootschalige kwantumcomputing en kwantumsimulaties te implementeren met behulp van hun experimentele platform.

© 2019 Wetenschap X Netwerk