Een onderzoeksgroep onder leiding van afgestudeerde student Yeelai Chew, assistent-professor Sylvain de Léséleuc en professor Kenji Ohmori van het Institute for Molecular Science, National Institutes of Natural Sciences, gebruikt atomen die zijn afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt en gevangen in een optisch pincet gescheiden door een micron of dus (zie Fig. 1). Door de atomen te manipuleren met een speciaal laserlicht gedurende 10 picoseconden, slaagden ze erin om 's werelds snelste twee-qubit-poort uit te voeren, een fundamentele operatie die essentieel is voor kwantumcomputing, die in slechts 6,5 nanoseconden werkt.

Deze ultrasnelle kwantumcomputer, die ultrasnelle lasers gebruikt om koude atomen te manipuleren die zijn gevangen met een optisch pincet, wordt naar verwachting een volledig nieuwe kwantumcomputer die de beperkingen doorbreekt van de supergeleidende en ingesloten typen die momenteel in ontwikkeling zijn.

De resultaten worden gepubliceerd in de online editie van Nature Photonics op 8 augustus 2022.

Kwantumcomputers op basis van koude atomen

Kwantumcomputers met koude atomen zijn gebaseerd op laserkoelings- en vangtechnieken die werden gevierd door de Nobelprijzen van 1997 (S. Chu, C. Cohen-Tannoudji en W.D. Philipps, "Cooling and trapping atoms with laser light") en 2018 (A. Ashkin , uitvinding van het optische pincet). Deze technieken vergemakkelijken de rangschikking van reeksen koude atomen in willekeurige vormen met een optische pincet en maken het mogelijk om elk afzonderlijk te observeren.

Omdat atomen natuurlijke kwantumsystemen zijn, kunnen ze gemakkelijk kwantumbits informatie opslaan, de basisbouwsteen ("qubit") van een kwantumcomputer (zie figuur 2). Bovendien zijn deze atomen zeer goed geïsoleerd van de omgeving en onafhankelijk van elkaar. De coherentietijd (de tijd waarin kwantumsuperpositie aanhoudt) van een qubit kan enkele seconden bedragen. Een poort van twee qubits (een essentieel rekenkundig basiselement voor kwantumcomputers) wordt vervolgens uitgevoerd door één elektron van het atoom te exciteren in een gigantische elektronische orbitaal, een Rydberg-orbitaal genaamd.

Met deze technieken is het cold-atom-platform naar voren gekomen als een van de meest veelbelovende kandidaten voor kwantumcomputerhardware, en trekt het de aandacht van de industrie, de academische wereld en regeringen over de hele wereld. Het heeft met name een revolutionair potentieel omdat het gemakkelijk kan worden opgeschaald met behoud van een hoge coherentie in vergelijking met de supergeleidende en ingesloten-ionen die momenteel worden ontwikkeld.

Kwantumpoorten

Kwantumpoorten zijn de rekenkundige basiselementen waaruit quantumcomputing bestaat. Ze komen overeen met de logische poorten zoals AND en OR in conventionele klassieke computers. Er zijn poorten van één qubit die de toestand van een enkele qubit manipuleren en poorten van twee qubits die kwantumverstrengeling tussen twee qubits genereren. De poort met twee qubits is de bron van de hogesnelheidsprestaties in kwantumcomputers en is technisch uitdagend. De belangrijkste poort met twee qubits wordt een "gecontroleerde Z-poort (CZ-poort)" genoemd, wat een bewerking is die de kwantumsuperpositie van een eerste qubit omdraait van 0 + 1 naar 0-1, afhankelijk van de toestand (0 of 1 ) van een tweede qubit (zie Fig. 3).

De nauwkeurigheid (getrouwheid) van de kwantumpoort wordt gemakkelijk aangetast door ruis van de externe omgeving en de werkende laser, wat de ontwikkeling van kwantumcomputers bemoeilijkt. Aangezien de tijdschaal van ruis over het algemeen langzamer is dan één microseconde, zal het mogelijk zijn om de verslechtering van de rekennauwkeurigheid als gevolg van ruis te voorkomen als een kwantumpoort kan worden gerealiseerd die voldoende sneller is en ons veel dichter bij het realiseren van een praktische kwantumcomputer. Daarom streeft al het onderzoek naar kwantumcomputerhardware de afgelopen 20 jaar naar snellere poorten. De ultrasnelle poort van 6,5 nanoseconden die door dit onderzoek met de koude-atoomhardware is bereikt, is meer dan twee ordes van grootte sneller dan ruis en kan dus de effecten ervan negeren. Het vorige wereldrecord was 15 nanoseconden, behaald door Google AI in 2020 met supergeleidende circuits.

Experimentele methode

Het experiment werd uitgevoerd met rubidium-atomen. Eerst werden twee rubidium-atomen in de gasfase die met behulp van laserstralen waren afgekoeld tot een ultra-lage temperatuur van ongeveer 1/100.000 Kelvin, met een optische pincet op een micron-interval gerangschikt. Onderzoekers bestraalden ze vervolgens met ultrakorte laserpulsen die slechts 1/100 miljardste van een seconde licht uitstraalden, en observeerden de veranderingen die zich voordeden. Twee elektronen die respectievelijk gevangen zaten in de kleinste orbitalen (5S) van twee aangrenzende atomen (atoom 1 en atoom 2) werden in gigantische elektronische orbitalen geslagen (Rydberg-orbitalen, hier 43D). De interactie tussen deze gigantische atomen leidde vervolgens tot een periodieke, heen-en-weer uitwisseling van de baanvorm en elektronenenergie die plaatsvond met een periode van 6,5 nanoseconden.

Na één oscillatie dicteren de wetten van de kwantumfysica dat het teken van de golffunctie wordt omgedraaid, waardoor de poort met twee qubits (gecontroleerde Z-poort) wordt gerealiseerd. Met behulp van dit fenomeen voerden ze een kwantumpoortbewerking uit met behulp van een qubit (Fig. 2) waarin de 5P elektronische toestand de "0" toestand is en de 43D elektronische toestand de "1" toestand is. Atomen 1 en 2 werden respectievelijk bereid als qubits 1 en 2 en de energie-uitwisseling werd geïnduceerd met behulp van een ultrakorte laserpuls. Tijdens één energie-uitwisselingscyclus werd het teken van de superpositietoestand van qubit 2 alleen omgekeerd wanneer qubit 1 zich in de "1"-toestand bevond (figuur 3). Deze tekenflip werd experimenteel waargenomen door de onderzoeksgroep, waarmee werd aangetoond dat een poort van twee qubits kan worden bediend in 6,5 nanoseconden, de snelste ter wereld.

De realisatie van 's werelds snelste ultrasnelle poort, deze keer bereikt door een volledig nieuwe methode van "het manipuleren van twee micron-afstand atomen die worden afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt met behulp van een ultrasnelle laser", zal naar verwachting de wereldwijde aandacht voor hardware met koude atomen aanzienlijk versnellen. + Verder verkennen

Twee teams gebruiken neutrale atomen om kwantumcircuits te maken