Parallel Omnidirectional Atom Rearrangement with Dynamic Holograms

In de zoektocht naar het bouwen van machines die problemen kunnen oplossen die buiten het bereik van de huidige computers liggen, richten wetenschappers zich op de kleinste bouwstenen van materie: individuele atomen. Om deze atomen als de bits van een quantumcomputer te gebruiken, moeten onderzoekers ze eerst in precieze, defectvrije patronen rangschikken, vergelijkbaar met het plaatsen van kleine knikkers in een raster. De uitdaging ligt in het verplaatsen van deze atomen zonder ze te verstoren. Als de instrumenten die worden gebruikt om de atomen te grijpen en te verschuiven te traag zijn, duurt het proces te lang; als ze te snel zijn of te abrupt van richting veranderen, kunnen de atomen losgeschud worden of zo ver opwarmen dat ze wegvliegen. Jarenlang hebben wetenschappers geprobeerd de perfecte balans te vinden, zoekend naar een manier om duizenden van deze atomen gelijktijdig te herschikken, in elke richting, en met voldoende snelheid om de delicate quantuminformatie intact te houden.

Een team onderzoekers aan de Harvard University heeft nu een methode gedemonstreerd die deze balans bereikt, waardoor ze bijna tweeduizend atomen in een fractie van een seconde kunnen verplaatsen en herconfigureren. Door een speciaal apparaat te gebruiken dat licht vormgeeft tot een hologram, creëerden ze een systeem dat in staat is om atomen in alle drie de dimensies te transporteren—omhoog, omlaag en opzij—gelijktijdig. De sleutel tot hun succes was de ontdekking dat ze niet hoefden te wachten tot het lichtvormende apparaat volledig op zijn nieuwe positie was gestabiliseerd voordat ze het volgende commando stuurden. Door het apparaat tot zijn grenzen te drijven en het lichtpatroon veel sneller bij te werken dan voorheen mogelijk werd geacht, waren ze in staat de snelheid waarmee de atomen werden verplaatst te verdrievoudigen zonder ze te verliezen.

De onderzoekers gebruikten een apparaat genaamd een ruimtelijke lichtmodulator (spatial light modulator), die fungeert als een digitaal masker dat laserlicht in specifieke vormen kan buigen. Door deze vormen te projecteren, creëerden ze duizenden kleine vallen, bekend als optische pincetten, die individuele atomen van ytterbium op hun plaats konden houden. Het doel was om een willekeurige verzameling atomen te nemen en deze te sorteren in een perfect, georganiseerd rooster. Om dit te doen, moest het team voor elke stap van de reis een nieuw hologram genereren, waarbij elk atoom werd verteld waar het naartoe moest gaan. Traditioneel geloofden wetenschappers dat ze moesten wachten tot de vloeibare kristallen in het lichtvormende apparaat volledig waren gestabiliseerd voordat ze het volgende commando gaven, een proces dat ongeveer 1,6 milliseconden duurde. Wachten op deze stabiliteit werd gezien als noodzakelijk om ervoor te zorgen dat de atomen gevangen bleven.

Het team besloot echter te testen wat er zou gebeuren als ze de wachttijd negeerden. Ze gaven het apparaat de opdracht om het lichtpatroon elke 0,7 milliseconden te veranderen, een tijd die zo kort is dat de vloeibare kristallen nog midden in de beweging waren toen het volgende instructie arriveerde. Tot hun verbazing ontsnapten de atomen niet. Hoewel de onderzoekers observeerden dat de atomen iets kleinere stappen konden tolereren wanneer de updates zo snel waren, nam de algehele snelheid van het transport drastisch toe. Door meer frequente, kleinere stappen te nemen, verplaatsten ze de atomen drie keer sneller dan de traditionele methode toeliet. Deze bevinding ontkrachtte de aanname dat wachten tot het apparaat tot rust kwam essentieel was voor overleving, en bewees dat de atomen de bewegende vallen zelfs konden volgen terwijl het lichtveld nog in beweging was.

Om deze snelle beweging werkbaar te maken, moest het team ook een computationeel probleem oplossen. Het genereren van de complexe lichtpatronen die nodig zijn om duizenden atomen te verplaatsen, kost meestal tijd en vereist vaak krachtige kunstmatige intelligentiemodellen die getraind moeten worden op enorme hoeveelheden gegevens. De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe wiskundige benadering die deze patronen in realtime kon genereren zonder enige training. Deze methode, die ze een 'warm-start algoritme' noemden, gebruikte het vorige lichtpatroon als startpunt voor het volgende, waardoor het in slechts enkele stappen tot de juiste oplossing kon komen. Dit elimineerde de noodzaak voor een vooraf getraind computermodel, waardoor het systeem flexibeler en gemakkelijker aan te passen was aan verschillende arrangementen.

Door deze technieken te combineren, slaagde het team erin om een massieve array van 2.078 atomen samen te stellen in een specifiek geometrisch patroon dat bekend staat als een kagome-rooster, met een succespercentage van 99 procent. Dit betekent dat van elke duizend plekken in het rooster, er slechts ongeveer tien leeg waren of bezet werden door het verkeerde aantal atomen. Naast het louter arrangeren van hen in een plat vlak, demonstreerden ze de mogelijkheid om atomen tussen verschillende lagen te verplaatsen, waarbij ze sommige atomen naar een tweede vlak tilden en ze in nieuwe vormen arrangeerden. Deze driedimensionale controle is cruciaal voor toekomstige quantumcomputers, die mogelijk verschillende soorten verwerkingszones op elkaar gestapeld moeten hebben.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het sneller verplaatsen van atomen. Door aan te tonen dat vloeibare kristalapparaten veel harder gedreven kunnen worden dan voorheen gedacht, hebben de onderzoekers de deur geopend naar grotere en complexere quantumsimulaties. Ze demonstreerden dat hun aanpak kan worden aangepast aan bestaande experimentele opstellingen zonder dat er nieuwe hardware nodig is, wat suggereert dat andere laboratoria deze methoden snel kunnen adopteren. Het vermogen om duizenden atomen met dergelijke precisie en snelheid te herschikken, brengt de visie van grootschalige quantumsimulatoren dichter bij de realiteit en biedt een krachtig nieuw instrument voor het bestuderen van materialen en natuurkunde die momenteel onmogelijk te verkennen zijn. Het werk staat als een duidelijk bewijs dat we, door de grenzen van de instrumenten die we gebruiken zorgvuldig te begrijpen, deze verder kunnen duwen dan onze intuïtie suggereert, en daarmee nieuwe mogelijkheden ontsluiten in de controle van de quantumwereld.