Калифорнийский институт создал самый крупный квантовый компьютер с 6100 кубитами на основе нейтральных атомов

Калифорнийский технологический институт (Caltech) создал самый крупный в мире квантовый компьютер на основе нейтральных атомов, заключив 6100 атомов цезия в виде кубитов в одном массиве. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature в четверг, представляют собой значительное увеличение по сравнению с предыдущими массивами, которые содержали всего лишь сотни кубитов.

Исследователи смогли увеличить число кубитов с нескольких сотен, что было характерно для прошлых экспериментов, до более чем 6000, при этом сохранив стабильность и точность на уровнях, необходимых для практических машин.

Команда заявила, что ей удалось добиться времени когерентности около 13 секунд — почти в 10 раз дольше, чем в предыдущих экспериментах, при этом выполняя операции с одним кубитом с точностью 99.98%.

Кубит, или квантовый бит, является основной единицей информации в квантовом компьютере. В отличие от классического бита, который может быть либо 0, либо 1, кубит может существовать в суперпозиции обеих состояний одновременно, что позволяет ему выполнять множество вычислений параллельно. Проблема заключается в поддержании этого деликатного состояния стабильным достаточно долго для выполнения вычислений.

Эта стабильность называется `когерентностью`, и она постоянно угрожает отвлекающими факторами, теплом или случайными электромагнитными полями. Чем дольше кубит остается когерентным, тем более сложные и надежные операции может выполнять квантовый процессор, прежде чем возникнут ошибки.

“Это захватывающий момент для квантовых вычислений на основе нейтральных атомов,” заявил профессор физики Калифорнийского технологического института и ведущий исследователь проекта Мануэль Эндрес. “Теперь мы можем увидеть путь к крупным квантовым компьютерам с исправлением ошибок. Строительные блоки уже на месте.”

Тем не менее, по словам аспиранта Калифорнийского технологического института Эли Бателя, который работал над проектом, время когерентности — это лишь один из факторов в квантовом процессе.

“Что вам нужно — это очень долгое время когерентности по сравнению с продолжительностью ваших операций,” сказал Батей Decrypt. “Если ваши операции занимают одну микросекунду, а у вас есть секунда когерентности, это означает, что вы можете сделать примерно миллион операций.”

Исследователи использовали “оптические пинцеты”, которые представляют собой сильно сфокусированные световые лучи, чтобы захватить и позиционировать отдельные атомы. Разделив один лазер на 12,000 таких крошечных световых ловушек, они смогли удерживать 6100 атомов в вакуумной камере в стабильном состоянии.

“Если вы используете лазер с нужной длиной волны, вы можете сделать свет привлекательным для атома, создавая ловушку,” отметил Батей. “Если вы зафиксируете свой световой луч в очень маленькой точке, около одного микрометра, вы можете привлечь и захватить много атомов.”

Команда показала, что может перемещать атомы в пределах массива, не нарушая их хрупкого квантового состояния, известного как суперпозиция. Эта способность перемещать кубиты при сохранении их стабильности может облегчить исправление ошибок в будущих квантовых компьютерах.

Квантовые системы на основе нейтральных атомов привлекают внимание как жизнеспособные конкуренты суперпроводящих цепей и платформ с захваченными ионами. Одним из их уникальных преимуществ является физическая перенастраиваемость: атомы могут быть переорганизованы во время вычисления с использованием мобильных оптических ловушек, что обеспечивает динамическую связь, которой трудно добиться с помощью жестких аппаратных топологий. На данный момент большинство массивов нейтральных атомов содержали всего лишь сотни кубитов, что делает достижение Caltech в 6100 кубитов значительным шагом вперед.

Мировой интерес

Этот результат появляется на фоне того, как компании и лаборатории по всему миру масштабируют квантовые машины. IBM пообещала создать суперпроводящий компьютер на 100,000 кубитов к 2033 году, в то время как компании такие как IonQ и QuEra разрабатывают подходы с захватом ионов и нейтральных атомов. Компания Quantinuum из Колорадо намерена предоставить полностью устойчивый к ошибкам квантовый компьютер к 2029 году.

Следующий этап - продемонстрировать исправление ошибок в большом масштабе, что потребует кодирования логических кубитов из тысяч физических. Это критически важно, если квантовые компьютеры собираются решать практические задачи в области химии, материалов и не только.

“Обычный компьютер делает одну ошибку каждые 10 до 17 операций,” сказал Батей. “Квантовый компьютер еще далеко не так точен, и мы не ожидаем достичь этого уровня только с оборудованием.”

Команда Caltech планирует связывать кубиты через запутанность, что является необходимым шагом для выполнения полномасштабных квантовых вычислений.

Хотя массив в 6100 кубитов от Caltech пока не предоставляет практический квантовый компьютер, комбинируя масштаб, точность и когерентность в одной системе, он устанавливает новую планку и усиливает аргументы в пользу нейтральных атомов как ведущей платформы в квантовых вычислениях.