Het schaalbaarder maken van quantumsystemen is een van de belangrijkste vereisten voor de verdere ontwikkeling van quantumcomputers, omdat de voordelen die ze bieden steeds duidelijker worden naarmate de systemen worden opgeschaald. Onderzoekers van de TU Darmstadt hebben onlangs een beslissende stap gezet in de richting van het bereiken van dit doel.

Kwantumprocessors op basis van tweedimensionale reeksen optische pincetten, die worden gemaakt met behulp van gerichte laserstralen, zijn een van de meest veelbelovende technologieën voor de ontwikkeling van kwantumcomputers en simulatie die in de toekomst zeer nuttige toepassingen mogelijk zullen maken. Een breed scala aan toepassingen, van de ontwikkeling van geneesmiddelen tot het optimaliseren van verkeersstromen, zullen van deze technologie profiteren.

Deze processors zijn tot nu toe in staat geweest om enkele honderden kwantumsystemen met één atoom te bevatten, waarbij elk atoom één kwantumbit of qubit vertegenwoordigt als de basiseenheid van kwantuminformatie. Om verdere vooruitgang te boeken is het noodzakelijk om het aantal qubits in de processors te vergroten. Dit is nu bereikt door een team onder leiding van professor Gerhard Birkl van de onderzoeksgroep Atoms-Photons-Quanta van de afdeling natuurkunde van de TU Darmstadt.

In een onderzoeksartikel, dat begin oktober 2023 voor het eerst werd geplaatst op de arXiv preprint server en is nu ook gepubliceerd na wetenschappelijke peer review in het tijdschrift Optica , rapporteert het team over 's werelds eerste succesvolle experiment om een ​​kwantumverwerkingsarchitectuur te realiseren die meer dan 1.000 atomaire qubits in één enkel vlak bevat.

"We zijn enorm blij dat we de eersten waren die de grens van 1.000 individueel bestuurbare atomaire qubits hebben overschreden, omdat zoveel andere uitstekende concurrenten ons op de hielen zitten", zegt Birkl.

De onderzoekers konden in hun experimenten aantonen dat hun aanpak, waarbij ze de nieuwste kwantumoptische methoden combineren met geavanceerde micro-optische technologie, hen in staat heeft gesteld de huidige limieten voor het toegankelijke aantal qubits aanzienlijk te verhogen.

Dit werd bereikt door de introductie van de nieuwe methode van "kwantumbit-aanjagen". Hierdoor konden ze de beperkingen overwinnen die door de beperkte prestaties van de lasers aan het aantal bruikbare qubits werden opgelegd. In totaal werden 1.305 qubits met één atoom geladen in een kwantumarray met 3.000 trapsites en opnieuw samengesteld tot defectvrije doelstructuren met maximaal 441 qubits. Door meerdere laserbronnen parallel te gebruiken, heeft dit concept de technologische grenzen doorbroken die tot nu toe als bijna onoverkomelijk werden beschouwd.

Voor veel verschillende toepassingen wordt 1.000 qubits gezien als de drempelwaarde vanaf waar de efficiëntieboost die quantumcomputers beloven nu voor het eerst kan worden aangetoond. Onderzoekers over de hele wereld hebben er dan ook intensief aan gewerkt om als eerste deze drempel te doorbreken. Het onderzoek van Birkl en collega's beschrijft hoe een verdere toename van het aantal laserbronnen binnen een paar jaar qubit-aantallen van 10.000 en meer mogelijk zal maken.

Meer informatie: Lars Pause et al., Supercharged tweedimensionale pincetarray met meer dan 1000 atomaire qubits, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.513551

Aangeboden door Technische Universitat Darmstadt