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

A busca para construir um computador quântico prático levou cientistas a explorar muitas maneiras diferentes de segurar e controlar as menores unidades de informação, conhecidas como qubits. Uma abordagem promissora utiliza átomos individuais, suspensos no vácuo por feixes de luz, para atuar como esses qubits. Esses arranjos de átomos neutros são atraentes porque podem ser escalonados para conter milhares de átomos, e os átomos podem ser movidos com grande precisão. No entanto, durante anos, um grande gargalo retardou o progresso deles. Embora os próprios átomos possam ser manipulados muito rapidamente, o processo de verificar seu estado e prepará-los para a próxima etapa era dolorosamente lento. Tradicionalmente, ler o estado de um átomo exigia um método que frequentemente expulsava o átomo de sua armadilha ou o aquecia tanto que ele era perdido. Isso significava que, após cada única de cálculo, os cientistas tinham que gastar centenas de milissegundos recarregando átomos novos e rearranjando-os, um processo que limitava quantos cálculos poderiam ser realizados em um segundo.

Uma equipe de pesquisadores demonstrou agora uma maneira de romper esse limite de velocidade, mostrando que um processador quântico de átomos neutros pode executar cálculos a uma taxa de cem vezes por segundo. Ao projetar um sistema que pode ler o estado de um átomo sem destruí-lo ou perdê-lo, a equipe permitiu que o mesmo grupo de átomos fosse usado repetidamente em sucessão rápida. Essa conquista move a tecnologia de um processo lento, passo a passo, para um fluxo de dados de alta velocidade, aproximando o desempenho dos computadores baseados em átomos das velocidades necessárias para aplicações do mundo real.

O experimento foi conduzido usando um tipo específico de átomo, rubídio-87, aprisionado em uma câmara de vácuo. Os pesquisadores organizaram dez desses átomos em uma única linha, segurando cada um em um feixe de luz minúsculo e focado chamado pinça óptica. Para realizar um cálculo, a equipe primeiro resfria os átomos e os define em um estado inicial conhecido. Eles então aplicam uma série de operações, semelhantes a virar um interruptor, para mudar o estado dos átomos. O desafio crítico sempre foi a etapa final: ler o resultado. Em sistemas antigos, esse processo de leitura envolvia brilhar luz nos átomos para fazê-los brilhar. Embora esse brilho revele o estado, a luz também empurra os átomos, muitas vezes fazendo com que escapem de suas armadilhas. Se um átomo é perdido, toda a sequência deve parar, e o sistema deve reiniciar do zero, desperdiçando um tempo valioso.

Para resolver isso, os pesquisadores construíram uma nova espécie de interface usando um chip especializado feito de vidro. Este chip atua como um conjunto de túneis minúsculos e invisíveis que coletam a luz emitida por cada átomo e a guiam diretamente para um detector. Como a luz é coletada de forma tão eficiente, a equipe pode determinar o estado do átomo detectando pouquíssimos fótons. Essa abordagem suave significa que os átomos permanecem frios e continuam aprisionados. A equipe testou isso executando uma sequência de cem operações idênticas nos mesmos dez átomos sem nunca recarregá-los. Eles descobriram que, após cem ciclos, os átomos ainda estavam presentes com uma probabilidade de noventa e nove vírgula sete por cento. Essa alta taxa de sobrevivência significou que o sistema poderia continuar funcionando sem as longas pausas necessárias para recarregar os átomos.

O resultado foi um aumento dramático na velocidade. A equipe alcançou uma taxa de cem e uma ciclos de cálculo por segundo, uma figura conhecida como taxa de iteração de circuito quântico. Mesmo após considerar as raras instâncias em que um átomo foi perdido e os dados tiveram que ser descartados, a velocidade efetiva permaneceu em setenta e quatro vírgula oito ciclos por segundo. Para colocar em perspectiva, sistemas anteriores usando átomos semelhantes eram limitados a menos de dez ciclos por segundo. Os pesquisadores também verificaram que a informação coletada dessas repetições de ciclos era consistente e confiável. Ao combinar os dados de todas as cem execuções, eles foram capazes de medir o comportamento dos átomos com precisão muito maior do que seria possível a partir de uma única execução.

Essa capacidade de alta velocidade permitiu que a equipe realizasse um teste padrão da qualidade do computador, conhecido como benchmarking aleatório, em apenas treze minutos. No passado, realizar este mesmo teste em um arranjo de dez átomos teria levado várias horas devido ao lento processo de recarregamento. O experimento mostrou que os átomos mantiveram um alto nível de precisão, com as operações sendo corretas mais de noventa e nove por cento das vezes. Os pesquisadores também demonstraram que seu método poderia ser otimizado para obter a informação mais útil no menor tempo possível. Ao equilibrar a velocidade do processo de leitura com a necessidade de manter os átomos seguros, eles encontraram um "ponto ideal" onde o sistema poderia coletar informações mais de dez vezes mais rápido do que os métodos convencionais, mesmo que esses métodos fossem perfeitos em todos os outros aspectos.

O sucesso deste experimento depende de um design inteligente que os autores chamam de arquitetura "vulcão", que se refere à maneira como os caminhos de luz são moldados no chip para mapear os átomos densamente compactados aos detectores. Esta configuração permite que cada átomo seja lido individualmente e simultaneamente. Os pesquisadores acreditam que, com melhorias adicionais, como melhor coleta de luz e técnicas de resfriamento mais rápidas, esta velocidade poderá eventualmente atingir milhares de ciclos por segundo. Isso abriria as portas para cálculos mais complexos e a capacidade de corrigir erros em tempo real, o que é essencial para construir computadores quânticos de larga escala. O trabalho prova que, ao mudar a forma como lemos os átomos, em vez de apenas tentar melhorar os próprios átomos, podemos desbloquear um novo nível de desempenho para esta tecnologia.