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

La ricerca di un computer quantistico pratico ha portato gli scienziati a esplorare molti modi diversi per sostenere e controllare le più piccole unità di informazione, note come qubit. Un approccio promettente utilizza singoli atomi, sospesi nel vuoto da fasci di luce, per agire come questi qubit. Questi array di atomi neutri sono attraenti perché possono essere scalati per contenere migliaia di atomi, e gli atomi possono essere spostati con grande precisione. Tuttavia, per anni, un importante collo di bottiglia ha rallentato i loro progressi. Sebbene gli atomi stessi possano essere manipolati molto rapidamente, il processo di controllo del loro stato e la loro preparazione per il passaggio successivo è stato dolorosamente lento. Tradizionalmente, leggere lo stato di un atomo richiedeva un metodo che spesso espelleva l'atomo dalla sua trappola o lo riscaldava così tanto da perderlo. Ciò significava che dopo ogni singola operazione, gli scienziati dovevano passare centinaia di millisecondi a ricaricare nuovi atomi e riorganizzarli, un processo che limitava quanti calcoli potessero essere eseguiti in un secondo.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato un modo per rompere questo limite di velocità, mostrando che un processore quantistico ad atomi neutri può eseguire calcoli a una frequenza di cento volte al secondo. Progettando un sistema in grado di leggere lo stato di un atomo senza distruggerlo o perderlo, il team ha permesso allo stesso gruppo di atomi di essere utilizzato ripetutamente e in rapida successione. Questo traguardo sposta la tecnologia da un processo lento, passo dopo passo, a un flusso di dati ad alta velocità, portando le prestazioni dei computer basati su atomi molto più vicine alle velocità necessarie per le applicazioni del mondo reale.

L'esperimento è stato condotto utilizzando un tipo specifico di atomo, il rubidio-87, intrappolato in una camera a vuoto. I ricercatori hanno disposto dieci di questi atomi in una singola linea, tenendo ciascuno in un minuscolo e concentrato fascio di luce chiamato pinzetta ottica. Per eseguire un calcolo, il team prima raffredda gli atomi e li imposta su uno stato iniziale noto. Successivamente, applicano una serie di operazioni, simili al premere un interruttore, per cambiare lo stato degli atomi. La sfida critica è sempre stata l'ultimo passaggio: leggere il risultato. Nei sistemi più vecchi, questo processo di lettura consisteva nel far risplendere gli atomi con la luce. Sebbene questo bagliore riveli lo stato, la luce spinge anche gli atomi, causando spesso la loro fuga dalle trappole. Se un atomo viene perso, l'intera sequenza deve fermarsi e il sistema deve ricominciare da capo, sprecando tempo prezioso.

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno costruito un nuovo tipo di interfaccia utilizzando un chip specializzato fatto di vetro. Questo chip agisce come un insieme di piccoli tunnel invisibili che raccolgono la luce emessa da ogni atomo e la guidano direttamente verso un rilevatore. Poiché la luce viene raccolta in modo così efficiente, il team può determinare lo stato dell'atomo rilevando pochissimi fotoni. Questo approccio delicato significa che gli atomi rimangono freddi e restano intrappolati. Il team ha testato questo eseguendo una sequenza di cento operazioni identiche sugli stessi dieci atomi senza mai ricaricarli. Hanno scoperto che dopo cento cicli, gli atomi erano ancora presenti con una probabilità del novantanove virgola sette per cento. Questo alto tasso di sopravvivenza significava che il sistema poteva continuare a funzionare senza le lunghe pause necessarie per ricaricare gli atomi.

Il risultato è stato un aumento drammatico della velocità. Il team ha raggiunto una frequenza di cento e un cicli di calcolo al secondo, una cifra nota come tasso di iterazione del circuito quantistico. Anche tenendo conto dei rari casi in cui un atomo veniva perso e i dati dovevano essere scartati, la velocità effettiva rimaneva di settantaquattro virgola otto cicli al secondo. Per mettere questo in prospettiva, i sistemi precedenti che utilizzavano atomi simili erano limitati a meno di dieci cicli al secondo. I ricercatori hanno anche verificato che le informazioni raccolte da questi cicli ripetuti fossero coerenti e affidabili. Combinando i dati di tutti i cento cicli, sono stati in grado di misurare il comportamento degli atomi con molta più precisione rispetto a quanto sarebbe possibile da un singolo ciclo.

Questa capacità ad alta velocità ha permesso al team di eseguire un test standard sulla qualità del computer, noto come benchmarking casuale (randomized benchmarking), in soli tredici minuti. In passato, eseguire questo stesso test su un array di dieci atomi avrebbe richiesto diverse ore a causa del lento processo di ricarica. L'esperimento ha dimostrato che gli atomi mantenevano un alto livello di accuratezza, con le operazioni che risultavano corrette per più del novantanove per cento delle volte. I ricercatori hanno anche dimostrato che il loro metodo poteva essere ottimizzato per ottenere le informazioni più utili nel minor tempo possibile. Bilanciando la velocità del processo di lettura con la necessità di mantenere al sicuro gli atomi, hanno trovato un "punto ottimale" in cui il sistema poteva raccogliere informazioni più di dieci volte più velocemente dei metodi convenzionali, anche se tali metodi fossero stati perfetti in ogni altro aspetto.

Il successo di questo esperimento si basa su un design intelligente che gli autori chiamano architettura "vulcano", che si riferisce al modo in cui i percorsi della luce sono modellati sul chip per mappare gli atomi strettamente raggruppati sui rilevatori. Questa configurazione consente di leggere ogni atomo individualmente e simultaneamente. I ricercatori ritengono che con ulteriori miglioramenti, come una migliore raccolta della luce e tecniche di raffreddamento più veloci, questa velocità possa eventualmente raggiungere migliaia di cicli al secondo. Ciò aprirebbe la porta a calcoli più complessi e alla capacità di correggere gli errori in tempo reale, il che è essenziale per costruire computer quantistici su larga scala. Il lavoro dimostra che cambiando il modo in cui leggiamo gli atomi, piuttosto che cercare solo di migliorare gli atomi stessi, possiamo sbloccare un nuovo livello di prestazioni per questa tecnologia.