Hundred-hertz quantum circuit iteration rate in a reusable neutral-atom array

Das Streben nach dem Bau eines praktischen Quantencomputers hat Wissenschaftler dazu veranlasst, viele verschiedene Wege zu erforschen, um die kleinsten Informationseinheiten, bekannt als Qubits, festzuhalten und zu steuern. Ein vielversprechender Ansatz nutzt einzelne Atome, die in einem Vakuum durch Lichtstrahlen aufrechterhalten werden, um als diese Qubits zu fungieren. Diese Neutralatom-Anordnungen sind attraktiv, da sie auf Tausende von Atomen skaliert werden können und die Atome mit großer Präzision bewegt werden können. Jedoch hat über Jahre hinweg ein bedeutender Engpass ihren Fortschritt gebremst. Während die Atome selbst sehr schnell manipuliert werden können, war der Prozess, ihren Zustand zu überprüfen und sie für den nächsten Schritt vorzubereiten, quälend langsam. Traditionell erforderte das Auslesen des Zustands eines Atoms eine Methode, die das Atom oft aus seiner Falle stieß oder es so stark aufheizte, dass es verloren ging. Dies bedeutete, dass die Wissenschaftler nach jeder einzelnen Berechnung hunderte Millisekunden damit verbringen mussten, frische Atome nachzuladen und sie neu anzuordnen, ein Prozess, der die Anzahl der pro Sekunde durchführbaren Berechnungen begrenzte.

Einem Team von Forschern ist es nun gelungen, einen Weg zu demonstrieren, der diesen Geschwindigkeitsbegrenzung zu durchbrechen zeigt, indem sie zeigten, dass ein Neutralatom-Quantenprozessor Berechnungen mit einer Rate von einhundert Mal pro Sekunde ausführen kann. Durch den Entwurf eines Systems, das den Zustand eines Atoms lesen kann, ohne es zu zerstören oder zu verlieren, ermöglichte das Team, dieselbe Gruppe von Atomen immer wieder in schneller Folge zu verwenden. Diese Errungenschaft führt die Technologie von einem langsamen Schritt-für-Schritt-Prozess in einen Hochgeschwindigkeits-Datenstrom und bringt die Leistungsfähigkeit von atombasierten Computern viel näher an die Geschwindigkeiten heran, die für reale Anwendungen benötigt werden.

Das Experiment wurde unter Verwendung einer spezifischen Art von Atom, Rubidium-87, durchgeführt, das in einer Vakuumkammer gefangen war. Die Forscher ordneten zehn dieser Atome in einer einzelnen Linie an und hielten jedes in einem winzigen, fokussierten Lichtstrahl namens optische Pinzette. Um eine Berechnung durchzuführen, kühlt das Team zuerst die Atome ab und setzt sie in einen bekannten Ausgangszustand. Sie wenden dann eine Serie von Operationen an, ähnlich dem Umlegen eines Schalters, um den Zustand der Atome zu ändern. Die kritische Herausforderung war bisher der letzte Schritt: das Auslesen des Ergebnisses. In älteren Systemen bestand dieser Lesevorgang darin, Licht auf die Atome zu strahlen, um sie zum Leuchten zu bringen. Während dieses Leuchten den Zustand offenbart, drückt das Licht die Atome auch, was oft dazu führt, dass sie aus ihren Fallen entkommen. Wenn ein Atom verloren geht, muss die gesamte Sequenz gestoppt und das System von vorn beginnen, was wertvolle Zeit verschwendet.

Um dies zu lösen, bauten die Forscher eine neue Art von Schnittstelle unter Verwendung eines speziellen Chips aus Glas. Dieser Chip fungiert wie ein Satz winziger, unsichtbarer Tunnel, die das von jedem Atom emittierte Licht sammeln und direkt zu einem Detektor leiten. Da das Licht so effizient gesammelt wird, kann das Team den Zustand des Atoms bestimmen, indem es nur sehr wenige Photonen detektiert. Dieser sanfte Ansatz bedeutet, dass die Atome kühl bleiben und in der Falle verbleiben. Das Team testete dies, indem es eine Sequenz von einhundert identischen Operationen an denselben zehn Atomen durchführte, ohne sie jemals neu zu laden. Sie fanden heraus, dass die Atome nach einhundert Zyklen noch mit einer Wahrscheinlichkeit von neunundneunzig Komma sieben Prozent vorhanden waren. Diese hohe Überlebensrate bedeutete, dass das System ohne die langen Pausen, die zum Nachladen der Atome erforderlich sind, weiterlaufen konnte.

Das Ergebnis war eine dramatische Steigerung der Geschwindigkeit. Das Team erreichte eine Rate von einhunderteins Berechnungzyklen pro Sekunde, eine Zahl, die als Quantenschaltkreis-Iterationsrate bekannt ist. Selbst nachdem man die seltenen Fälle berücksichtigt hatte, in denen ein Atom verloren ging und die Daten verworfen werden mussten, blieb die effektive Geschwindigkeit bei vierundsiebzig Komma acht Zyklen pro Sekunde. Um dies in Perspektive zu setzen: Vorherige Systeme, die ähnliche Atome verwendeten, waren auf weniger als zehn Zyklen pro Sekunde begrenzt. Die Forscher verifizierten auch, dass die aus diesen wiederholten Zyklen gewonnenen Informationen konsistent und zuverlässig waren. Durch die Kombination der Daten aus allen einhundert Durchläufen konnten sie das Verhalten der Atome mit wesentlich größerer Präzision messen, als dies von einem einzelnen Durchlauf möglich wäre.

Diese Hochgeschwindigkeitsfähigkeit ermöglichte es dem Team, einen Standardtest der Qualität des Computers, bekannt als Randomisierte Benchmarking, in nur dreizehn Minuten durchzuführen. In der Vergangenheit hätte das Durchführen desselben Tests an einer Zehn-Atom-Anordnung aufgrund des langsamen Nachladeprozesses mehrere Stunden gedauert. Das Experiment zeigte, dass die Atome ein hohes Maß an Genauigkeit beibehielten, wobei die Operationen in mehr als neunundneunzig Prozent der Fälle korrekt waren. Die Forscher demonstrierten auch, dass ihre Methode optimiert werden konnte, um die nützlichsten Informationen in der kürzesten Zeit zu gewinnen. Indem sie die Geschwindigkeit des Lesevorgangs mit der Notwendigkeit abwogen, die Atome sicher zu halten, fanden sie einen „Sweet Spot“, an dem das System Informationen mehr als zehnmal schneller sammeln konnte als konventionelle Methoden, selbst wenn diese in jeder anderen Hinsicht perfekt wären.

Der Erfolg dieses Experiments beruht auf einem klugen Design, das die Autoren als „Vulkano“-Architektur bezeichnen, was sich auf die Art und Weise bezieht, wie die Lichtpfade auf dem Chip geformt sind, um die dicht gepackten Atome auf die Detektoren abzubilden. Dieses Setup ermöglicht es, jedes Atom einzeln und gleichzeitig auszulesen. Die Forscher glauben, dass mit weiteren Verbesserungen, wie einer besseren Lichtsammlung und schnelleren Kühltechniken, diese Geschwindigkeit schließlich tausende Zyklen pro Sekunde erreichen könnte. Dies würde die Tür zu komplexeren Berechnungen und der Fähigkeit zur Fehlerkorrektur in Echtzeit öffnen, was für den Bau groß angelegter Quantencomputer essenziell ist. Die Arbeit beweist, dass wir, indem wir die Art und Weise ändern, wie wir die Atome auslesen, anstatt nur zu versuchen, die Atome selbst zu verbessern, ein neues Leistungsniveau dieser Technologie freischalten können.