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

De zoektocht naar het bouwen van een praktische kwantumcomputer heeft wetenschappers ertoe aangezet om veel verschillende manieren te verkennen om de kleinste eenheden informatie, bekend als qubits, vast te houden en te besturen. Een veelbelovende aanpak gebruikt individuele atomen, die in een vacuüm worden opgehangen door lichtstralen, om als deze qubits te fungeren. Deze neutrale-atoomarrays zijn aantrekkelijk omdat ze kunnen worden opgeschaald naar duizenden atomen, en de atomen met grote precisie kunnen worden verplaatst. Echter, jarenlang was er een belangrijke flessenhals die hun vooruitgang vertraagde. Hoewel de atomen zelf zeer snel gemanipuleerd kunnen worden, was het proces van het controleren van hun staat en het voorbereiden op de volgende stap pijnlijk traag. Traditioneel vereiste het uitlezen van de staat van een atoom een methode die het atoom vaak uit de valstrik wierp of zo erg verhitte dat het verloren ging. Dit betekende dat wetenschappers na elke enkele berekening honderden milliseconden moesten besteden aan het opnieuw laden van verse atomen en het herrangschikken ervan, een proces dat beperkte hoeveelheden berekeningen per seconde kon uitvoeren.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gedemonstreerd om deze snelheidslimiet te doorbreken, waarbij zij lieten zien dat een neutrale-atoom kwantumprocessor berekeningen kan uitvoeren met een snelheid van honderd keer per seconde. Door een systeem te ontwerpen dat de staat van een atoom kan uitlezen zonder het te vernietigen of te verliezen, stelde het team hetzelfde groepje atomen in staat om herhaaldelijk en in snelle opeenvolging te worden gebruikt. Deze prestatie brengt de technologie van een trage, stap-voor-stap methode naar een snelle stroom van gegevens, waardoor de prestaties van atoomgebaseerde computers veel dichter bij de snelheden komen die nodig zijn voor praktische toepassingen.

Het experiment werd uitgevoerd met een specifiek type atoom, rubidium-87, gevangen in een vacuümkamer. De onderzoekers arrangeerden tien van deze atomen in een enkele lijn, waarbij elk atoom werd vastgehouden in een minuscule, gefocuste lichtstraal die een optische tweezak (optical tweezer) wordt genoemd. Om een berekening uit te voeren, koelt het team eerst de atomen af en zet ze in een bekende startstaat. Ze passen vervolgens een reeks operaties toe, vergelijkbaar met het omdraaien van een schakelaar, om de staat van de atomen te veranderen. De cruciale uitdaging is altijd de laatste stap geweest: het uitlezen van het resultaat. In oudere systemen hield dit uitleesproces in dat er licht op de atomen werd geschenen om ze te laten gloeien. Hoewel deze gloed de staat van het atoom onthult, duwt het licht de atomen ook weg, wat er vaak toe leidt dat de atomen uit hun vallen ontsnappen. Als een atoom verloren gaat, moet de hele sequentie stoppen en moet het systeem vanaf het begin opnieuw starten, wat kostbare tijd verspilt.

Om dit op te lossen, bouwden de onderzoekers een nieuw soort interface met behulp van een gespecialiseerde chip gemaakt van glas. Deze chip fungeert als een reeks minuscule, onzichtbare tunnels die het door de atomen uitgezonden licht verzamelen en direct naar een detector leiden. Omdat het licht zo efficiënt wordt verzameld, kan het team de staat van het atoom bepalen door slechts enkele fotonen te detecteren. Deze zachte aanpak betekent dat de atomen koel blijven en gevangen blijven. Het team testte dit door een sequentie van honderd identieke operaties op dezelfde tien atomen uit te voeren zonder ze ooit opnieuw te laden. Ze ontdekten dat de atomen na honderd cycli nog steeds aanwezig waren met een waarschijnlijkheid van 99,7 procent. Deze hoge overlevingskans betekende dat het systeem kon blijven draaien zonder de lange pauzes die nodig zijn om de atomen opnieuw te laden.

Het resultaat was een dramatische toename in snelheid. Het team bereikte een snelheid van éénhonderd en één berekeningscycli per seconde, een getal dat bekend staat als de quantum circuit iteratiesnelheid. Zelfs na het meerekenen van de zeldzame gevallen waarin een atoom verloren ging en de gegevens moesten worden weggegooid, bleef de effectieve snelheid 74,8 cycli per seconde. Om dit in perspectief te plaatsen: eerdere systemen die vergelijkbare atomen gebruikten, waren beperkt tot minder dan tien cycli per seconde. De onderzoekers verifieerden ook dat de informatie die uit deze herhaalde cycli werd verzameld, consistent en betrouwbaar was. Door de gegevens van alle honderd runs te combineren, waren zij in staat om het gedrag van de atomen met veel grotere precisie te meten dan mogelijk zou zijn vanuit een enkele run.

Deze hoge snelheid maakte het voor het team mogelijk om een standaardkwaliteitstest van de computer, bekend als randomized benchmarking, in slechts dertien minuten uit te voeren. In het verleden zou het uitvoeren van dezezelfde test op een array van tien atomen enkele uren hebben geduurd vanwege het trage laadproces. Het experiment toonde aan dat de atomen een hoog niveau van nauwkeurigheid behielden, waarbij de operaties in meer dan negentig procent van de gevallen correct waren. De onderzoekers demonstreerden ook dat hun methode geoptimaliseerd kon worden om de meest nuttige informatie in de kortste hoeveelheid tijd te verkrijgen. Door de snelheid van het uitleesproces af te stemmen op de noodzaak om de atomen veilig te houden, vonden zij een "sweet spot" waar het systeem informatie meer dan tien keer sneller kon verzamelen dan conventionele methoden, zelfs als die methoden perfect zouden zijn in elk ander opzicht.

Het succes van dit experiment berust op een slim ontwerp dat de auteurs een "vulkaano-architectuur" noemen, wat verwijst naar de manier waarop de lichtpaden op de chip zijn gevormd om de dicht opeengepakte atomen naar de detectoren te mappen. Deze opstelling maakt het mogelijk om elk atoom individueel en gelijktijdig uit te lezen. De onderzoekers geloven dat met verdere verbeteringen, zoals een betere lichtcollectie en snellere koeltechnieken, deze snelheid uiteindelijk duizenden cycli per seconde kan bereiken. Dit zou de deur openen naar complexere berekeningen en de mogelijkheid om fouten in realtime te corrigeren, wat essentieel is voor het bouwen van grootschalige kwantumcomputers. Het werk bewijst dat door de manier waarop we de atomen uitlezen te veranderen, in plaats van alleen te proberen de atomen zelf beter te maken, we een nieuw niveau van prestatie voor deze technologie kunnen ontsluiten.