Каліфорнія створила найбільший квантовий компютер на основі нейтральних атомів із 6,100 кубітів

Каліфорнійський технологічний інститут (Caltech) створив найбільший у світі квантовий комп`ютер на базі нейтральних атомів, затримуючи 6,100 атомів цезію як кубіти в одному масиві. Результат, опублікований уNature у четвер, є значним прогресом у порівнянні з попередніми масивами, які містили лише кілька сотень кубітів.

Дослідники масштабували свою систему з сотень кубітів, типовими для минулих експериментів, до більше ніж 6,000, зберігаючи стабільність та точність на рівнях, необхідних для практичних машин.

Команда заявила, що їм вдалося досягти часу когерентності близько 13 секунд, майже у 10 разів довше, ніж в попередніх експериментах, виконуючи операції з одиночним кубітом з достовірністю 99.98%.

Кубіт, або квантовий біт, є основною одиницею інформації в квантовому комп`ютері. На відміну від класичного біта, який може бути або 0, або 1, кубіт може існувати в суперпозиції обох станів одночасно, що дозволяє виконувати багато обчислень паралельно. Проблема полягає у збереженні цього делікатного стану стабільним достатньо довго для проведення обчислень.

Цю стабільність називають «когерентністю», і вона постійно під загрозою шуму, тепла або випадкових електромагнітних полів. Чим довше кубіт залишається когерентним, тим більш складні і надійні операції може виконувати квантовий процесор, перш ніж виникнуть помилки.

«Це захоплюючий момент для квантових обчислень на основі нейтральних атомів», — сказав професор фізики Калтека та головний дослідник проєктуМануель Ендрес у заяві. «Тепер ми можемо побачити шлях до великих коригованих квантових комп`ютерів. Будівельні блоки вже на місці».

Проте, за словами аспіранта КалтекаЕлі Батейля, який працював над проєктом, кількість часу є лише одним із факторів у квантовому процесі.

«Вам потрібен дуже довгий час когерентності в порівнянні з тривалістю ваших операцій», — сказав БатейльDecrypt. «Якщо ваші операції тривають одну мікросекунду і у вас є одна секунда часу когерентності, це означає, що ви можете виконати близько мільйона операцій».

Масштабування без втрати достовірності

Дослідники використовували «оптичні пінцети», які є високо сконцентрованими пучками світла, для захоплення та позиціонування окремих атомів. Розділивши один лазер на 12,000 таких маленьких світлових пасток, їм вдалося утримувати 6,100 атомів стабільно в вакуумній камері.

«Якщо ви використовуєте лазер на правильній довжині хвилі, ви можете зробити світло привабливим для атома, створюючи пастку», — сказав Батейль. «Якщо ви обмежите свій світловий пучок до дуже маленької точки, приблизно мікрометра, ви можете притягувати та ловити багато атомів».

Команда показала, що вони можуть переміщати атоми в масиві, не порушуючи їх крихкий квантовий стан, відомий як суперпозиція. Ця здатність переміщати кубіти, зберігаючи їх стабільність, може полегшити корекцію помилок у майбутніх квантових комп`ютерах.

Нейтральні атомні квантові системи привертають увагу як життєздатні конкуренти надпровідникових схем і платформ із затриманим іоном. Однією з їхніх унікальних переваг є фізична переформування: атоми можуть бути переобладнані під час обчислення за допомогою мобільних оптичних пасток, що забезпечує динамічну зв`язність, яку жорсткі апаратні топології не можуть досягти. До цього часу більшість масивів нейтральних атомів містила лише кілька сотень кубітів, що робить досягнення Калтека у 6,100 кубітів значним кроком уперед.

Глобальна гонка

Цей результат з`являється в момент, коли компанії та лабораторії по всьому світу масштабують квантові машини. IBM пообіцяла створити надпровідниковий комп`ютер на 100,000 кубітів до 2033 року, в той час як такі компанії, як IonQ та QuEra, розробляють підходи з іонними пастками та нейтральними атомами. Компанія Quantinuum, що базується в Колорадо, планує випустити повністю стійкий до помилок квантовий комп`ютер до 2029 року.

Наступним етапом є демонстрація корекції помилок у масштабі, що вимагатиме кодування логічних кубітів з тисяч фізичних. Це критично важливо, якщо квантові комп`ютери мають вирішувати практичні проблеми в хімії, матеріалах тощо.

«Традиційний комп`ютер робить одну помилку на кожні 10 до 17 операцій», — сказав Батейль. «Квантовий комп`ютер не наближається до такої точності, і ми не очікуємо досягти цього рівня лише за допомогою апаратного забезпечення».

Команда Калтека планує зв`язати кубіти через заплутування, що є необхідним кроком для виконання повномасштабних квантових обчислень.

Хоча масив Калтека на 6,100 кубітів ще не забезпечує практичного квантового комп`ютера, комбінуючи масштаб, точність і когерентність в одній системі, він встановлює новий еталон і зміцнює випадок для нейтральних атомів як провідної платформи в квантовому обчисленні.