Как нейтральные атомы могут помочь в создании квантовых компьютеров следующего поколения

Эти атомы будут функционировать как отдельные кубиты и управляться с помощью "оптического пинцета".

Отредактировано 2023-25-06
Прототип квантового компьютера QuEra с нейтральным атомомПрототип квантового компьютера QuEra с нейтральным атомом.

В гонке за создание практического квантового компьютера наметился поворот. Несколько компаний делают ставку на то, что существует лучший способ создания базовой единицы квантового компьютера - кубита, чем ведущий метод, который используют такие гиганты, как IBM и Google.

Чтобы вернуться на мгновение назад к фундаментальной конструкции квантовых компьютеров, подумайте о кубитах как о квантовом эквиваленте двоичных битов, содержащихся в классических компьютерах. Но вместо того, чтобы хранить состояния включения или выключения, как биты (знаменитые 1 или 0), кубиты хранят волновые формы, что позволяет им иметь значение 1, 0 или их комбинацию. Чтобы проявлять эти квантовые свойства, объекты должны быть либо очень маленькими, либо очень холодными. Теоретически, это качество позволяет кубитам выполнять более сложные вычисления по сравнению с битами. Но в реальности уникальное состояние, которое достигается кубитами, трудно поддерживать, и как только это состояние теряется, теряется и информация, хранящаяся в этих кубитах. Поэтому то, как долго кубиты могут оставаться в этом квантовом состоянии, в настоящее время устанавливает предел вычислений, которые могут быть выполнены.

В гонке за создание полезного квантового компьютера лидирует компания IBM, и ее подход к этим фундаментальным вычислительным единицам заключается в использовании устройства под названием сверхпроводящие кубиты. Эта техника предполагает использование небольших кусочков сверхпроводящих металлов и изоляторов для создания материала, который ведет себя как искусственный атом в ультрахолодной среде (более подробное объяснение можно найти здесь).

Но развивающиеся компании, такие как QuEra, Atom Computing, Pasqal, хотят попробовать что-то новое и построить квантовый компьютер с использованием нейтральных атомов, которые уже давно считаются перспективной платформой. Нейтральный атом - это атом, который содержит сбалансированное количество положительных и отрицательных зарядов.

Ранее этот подход в основном испытывался небольшими компаниями и университетскими лабораториями, но вскоре ситуация может измениться. Работа с кубитами, созданными из нейтральных атомов, в некотором смысле может быть проще, чем изготовление искусственного атома, сообщили эксперты изданию PopSci в 2021 году.

Лазеры в прототипе квантового компьютера Atom Computing для нейтральных атомов.Лазеры в прототипе квантового компьютера Atom Computing для нейтральных атомов. Atom Computing

QuEra, например, использует атомы рубидия в качестве кубитов. Рубидий фигурирует в периодической таблице как один из щелочных металлов с атомным номером 37. Чтобы заставить атом нести квантовую информацию, исследователи светят на него лазером, чтобы возбудить его до различных энергетических уровней. Два из этих уровней могут быть выделены и обозначены как 0 и 1 для квита. В своем возбужденном состоянии атомы могут взаимодействовать с другими атомами, находящимися рядом. Лазеры также действуют как "оптический пинцет" для отдельных атомов, удерживая их на месте и уменьшая их движение, что охлаждает их и облегчает работу с ними. Компания утверждает, что она может упаковывать тысячи атомов, захваченных лазером, в гибкие конфигурации на квадратном миллиметре. QuEra утверждает, что иногда им удавалось достичь времени когерентности более 1 секунды (время когерентности - это время, в течение которого кубиты сохраняют свои квантовые свойства). Для сравнения, среднее время когерентности для квантовых чипов IBM составляет около 300 микросекунд.

"Чтобы собрать несколько кубитов, физики разделяют один лазерный луч на множество, например, пропуская его через экран из жидких кристаллов. Это позволяет создать массивы из сотен пинцетов, каждый из которых захватывает свой атом", - сообщает Nature. "Одно из главных преимуществ метода заключается в том, что физики могут комбинировать несколько типов пинцетов, некоторые из которых могут быстро перемещаться - с атомами, которые они несут... Это делает метод более гибким, чем другие платформы, такие как сверхпроводники, в которых каждый кубит может взаимодействовать только со своими непосредственными соседями на чипе".

Уже опубликованы рецензируемые работы, в которых проверяются возможности запуска квантового алгоритма на такой технологии. В статье, опубликованной в январе в журнале Nature Physics, даже охарактеризовано поведение нейтрального атома, пойманного в ловушку оптического пинцета.

В настоящее время QuEra может работать примерно с 256 кубитами и предлагается как часть сервиса квантовых вычислений Amazon Web Services. Согласно сообщению в блоге Amazon, эти процессоры на основе нейтральных атомов подходят для "расположения атомов в графовых схемах и решения определенных задач комбинаторной оптимизации".

Между тем, компания Atom Computing, которая основывает свои кубиты на щелочноземельном металле стронции, использует вакуумную камеру, магнитные поля и лазеры для создания своего массива. Ее прототип привлек внимание исследовательского подразделения Пентагона DARPA, и недавно она получила финансирование в рамках программы агентства "Неисследованные системы для квантовых вычислений в масштабе предприятия" (US2QC).

Pasqal, еще один парижский стартап в области квантовых вычислений, также привлек довольно много капитала в поддержку этого перспективного подхода. В частности, по данным TechCrunch, в конце января компания привлекла около 100 млн евро для создания квантового компьютера на основе нейтрального атома.