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

La búsqueda de la construcción de un ordenador cuántico práctico ha llevado a los científicos a explorar muchas formas diferentes de sostener y controlar las unidades más pequeñas de información, conocidas como cúbits. Un enfoque prometedor utiliza átomos individuales, suspendidos en el vacío por haces de luz, para actuar como estos cúbits. Estos arreglos de átomos neutros son atractivos porque pueden escalarse para contener miles de átomos, y los átomos pueden moverse con gran precisión. Sin embargo, durante años, un importante cuello de botella ha frenado su progreso. Aunque los átomos en sí mismos pueden manipularse muy rápidamente, el proceso de comprobar su estado y prepararlos para el siguiente paso ha sido dolorosamente lento. Tradicionalmente, leer el estado de un átomo requería un método que a menudo expulsaba al átomo de su trampa o lo calentaba tanto que se perdía. Esto significaba que, después de cada único cálculo, los científicos tenían que dedicar cientos de milisegundos a recargar átomos frescos y reorganizarlos, un proceso que limitaba cuántos cálculos podían realizarse en un segundo.

Un equipo de investigadores ha demostrado ahora una forma de romper este límite de velocidad, mostrando que un procesador cuántico de átomos neutros puede ejecutar cálculos a una tasa de cien veces por segundo. Al diseñar un sistema que pueda leer el estado de un átomo sin destruirlo o perderlo, el equipo permitió que el mismo grupo de átomos pudiera utilizarse una y otra vez en rápida sucesión. Este logro traslada la tecnología de un proceso lento, paso a paso, a un flujo de datos de alta velocidad, acercando el rendimiento de los ordenadores basados en átomos a las velocidades necesarias para aplicaciones del mundo real.

El experimento se llevó a cabo utilizando un tipo específico de átomo, el rubidio-87, atrapado en una cámara de vacío. Los investigadores dispusieron diez de estos átomos en una sola línea, sujetando cada uno en un diminuto haz de luz enfocado llamado pinza óptica. Para realizar un cálculo, el equipo primero enfría los átomos y los establece en un estado inicial conocido. Luego aplican una serie de operaciones, similares a pulsar un interruptor, para cambiar el estado de los átomos. El desafío crítico siempre ha sido el paso final: leer el resultado. En sistemas anteriores, este proceso de lectura implicaba proyectar luz sobre los átomos para hacerlos brillar. Si bien este brillo revela el estado, la luz también empuja a los átomos, causando a menudo que escapen de sus trampas. Si un átomo se pierde, toda la secuencia debe detenerse y el sistema debe reiniciarse desde cero, desperdiciando un tiempo valioso.

Para resolver esto, los investigadores construyeron un nuevo tipo de interfaz utilizando un chip especializado hecho de vidrio. Este chip actúa como un conjunto de túneles diminutos e invisibles que recolectan la luz emitida por cada átomo y la guían directamente hacia un detector. Debido a que la luz se recolecta de manera tan eficiente, el equipo puede determinar el estado del átomo detectando muy pocos fotones. Este enfoque suave significa que los átomos permanecen fríos y siguen atrapados. El equipo probó esto ejecutando una secuencia de cien operaciones idénticas sobre los mismos diez átomos sin recargarlos nunca. Encontraron que, tras cien ciclos, los átomos seguían presentes con una probabilidad del noventa y nueve punto siete por ciento. Esta alta tasa de supervivencia significó que el sistema podía seguir funcionando sin las largas pausas requeridas para recargar los átomos.

El resultado fue un aumento dramático de la velocidad. El equipo logró una tasa de cien y un ciclos de cálculo por segundo, una cifra conocida como la tasa de iteración del circuito cuántico. Incluso después de contabilizar las instancias poco comunes en las que se perdía un átomo y los datos debían descartarse, la velocidad efectiva se mantuvo en setenta y cuatro punto ocho ciclos por segundo. Para poner esto en perspectiva, sistemas anteriores que utilizaban átomos similares estaban limitados a menos de diez ciclos por segundo. Los investigadores también verificaron que la información recopilada de estos ciclos repetidos era consistente y fiable. Al combinar los datos de todas las cien ejecuciones, pudieron medir el comportamiento de los átomos con una precisión mucho mayor de la que sería posible a partir de una sola ejecución.

Esta capacidad de alta velocidad permitió al equipo realizar una prueba estándar de la calidad del ordenador, conocida como benchmarking aleatorio, en solo trece minutos. En el pasado, realizar esta misma prueba en un arreglo de diez átomos habría tomado varias horas debido al lento proceso de recarga. El experimento mostró que los átomos mantenían un alto nivel de precisión, con las operaciones siendo correctas más del noventa y nueve por ciento de las veces. Los investigadores también demostraron que su método podía optimizarse para obtener la información más útil en el menor tiempo posible. Al equilibrar la velocidad del proceso de lectura con la necesidad de mantener seguros a los átomos, encontraron un "punto ideal" donde el sistema podía reunir información más de diez veces más rápido que los métodos convencionales, incluso si esos métodos fueran perfectos en todos los demás aspectos.

El éxito de este experimento depende de un diseño ingenioso que los autores llaman arquitectura "volcán", que se refiere a la forma en que los caminos de luz están configurados en el chip para mapear los átomos densamente agrupados hacia los detectores. Esta configuración permite que cada átomo sea leído de forma individual y simultánea. Los investigadores creen que con mejoras adicionales, como una mejor recolección de luz y técnicas de enfriamiento más rápidas, esta velocidad podría alcanzar eventualmente miles de ciclos por segundo. Esto abriría la puerta a cálculos más complejos y a la capacidad de corregir errores en tiempo real, lo cual es esencial para construir ordenadores cuánticos a gran escala. El trabajo demuestra que al cambiar la forma en que leemos los átomos, en lugar de simplemente intentar mejorar los átomos en sí mismos, podemos desbloquear un nuevo nivel de rendimiento para esta tecnología.