100'den fazla tek atomlu kuantum sisteminin hatasız montajını gerçekleştirin!
Darmstadt Teknoloji Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, çok amaçlı hedef modları ile 111 adede kadar tek atomlu kuantum sisteminin hatasız montajını başardılar. Araştırmasının sonuçları Physical Review Letters'da yayınlandı.Keşif, atomik yapıların birleşimini kuantum üstünlüğü eşiğinin ötesine taşıyarak, kuantum bilimi ve teknolojisinde yeni atılımların yolunu açabilir. Bu araştırmayı yapan araştırmacılardan Gerhard Birkl: Araştırma, fizik bilimlerinin bir paradigma kayması sürecinde olduğu gözlemine dayanmaktadır.
Kuantum fiziğinin yani kuantum teknolojisinin uygulanması yakın gelecekte baskın teknoloji haline gelecektir. Çok sayıda başvuru zaten öngörülebilir, ancak çoğu uygulamanın farkında bile olmadığına inanıyorum. Kuantum bilimi ve teknolojisi alanındaki bir sonraki adım, kapsamlı ölçeklenebilirlik, çok alanlı kuantum korelasyonu ve etkili kuantum hata düzeltmesi sağlayan deneysel platformlar geliştirmektir. Geçtiğimiz yüzyılda, araştırmacılar tek bir kuantum sistemi üzerinde çok sayıda araştırma yaptılar ve mevcut gelişimin temelini attılar. Atomik kuantum sistemleri, iyi boyutlara sahip iyi izole edilmiş kuantum sistemleri sağladıkları için bu çalışmalarda, özellikle ışık tarafından hapsedilmiş nötr atomlarda önemli bir rol oynamaktadır.
- Atomik mod montajı: Tek atomlu iletim yoluyla, kusurlu ilk atom dağılımı, hatasız 100 atomluk bir hedef kümeye aktarılır. Resim: Gerhard Birkl
Önümüzdeki birkaç nesil kuantum teknolojisi için, birden fazla kuantum sistemine geçmek, yani sistemin ölçeğini genişletmek kilit önemdedir. Bu nedenle, atomik kuantum sistemleri için son derece ölçeklenebilir bir mimari sağlamak için yeni bir platformun geliştirilmesi ve en gelişmiş kuantum teknolojisini ilerletmek için ilgili tüm parametrelerin tam kontrolü ile geliştirilmesi gerekiyor. Deney için teknik temeli geliştirirken, Birkl ve öğrenciler son 25 yılda bilimsel atılımlardan yararlanan optik tuzakları kullanarak lazerle soğutulan nötr atomlara odaklanan araştırmaya katıldı. Bu buluşlar arasında lazer soğutma ve yakalama, Bose-Einstein yoğunlaşması, tek bir kuantum sisteminin çalışması ve optik cımbız yer alıyor. Sonunda bu bilimsel gelişmeleri gelişmiş optik teknolojiyle birleştirmenin farkına vardım.
Örneğin, mikrolens dizilerinin mikro işlemesi, ölçeklenebilir kuantum teknolojisinin geliştirilmesi için ideal bir platform sağlar. Araştırmanın özü, nötr atomlar için iki boyutlu bir optik tuzak modeli oluşturmak için iki boyutlu bir mikrolens dizisinin kullanıldığı yeni bir deneysel çerçevenin uygulanmasıdır. Birçok lensi aydınlatabilen büyük bir lazer ışını kullanarak, araştırmacılar aynı anda birkaç lazer tuzağı oluşturabilirler. Aynı anda 400 kadar tuzak üretilir ve daha sonra ayrı ayrı çözülebilir. Deneyin birkaç adımı vardır: İlk olarak, bir manyeto-optik tuzak (MOT) kullanılarak oda sıcaklığında bir vakum sisteminde bir rubidyum atomu bulutu oluşturulur. Bu, yaklaşık 100 mikrokelvin sıcaklıkta milyonlarca rubidyum atomu üretmelerine izin verir.
- (Bokeyuan-Resim) Rubidyum atomları, deneysel cihazın orta kısmında hatasız iki boyutlu bir hedef modelinde düzenlenir ve mavi lazer, tutarlı kuantum işlemlerini başlatmak için kullanılır. Resim: Gerhard Birkl
Daha sonra atomları bu tuzaklara aktarmak için lazer tuzak modunu açın, her tuzakta en fazla bir atom bulunur. Üretim modu, yalnızca bir veya sıfır atom tuzağı bölgesinden oluşur. Daha sonra, bu modun görüntüsü alındı ve işgal edilen alan (başka bir işlem yapılmasına gerek yok) ve boş alan belirlendi. Araştırmacılar, hangi alanların işgal edildiğini ve hangilerinin boş olduğunu belirledikten sonra tüm alanları doldurur; hedef modun dışındaki doldurulmuş konumlardan tek tek atomlar alıp hedef modda boş alanlara aktarırlar. Bu aktarım işlemi, optik cımbız gibi çalışan ve "optik cımbız" olarak adlandırılan, tüm trap dizisinin iki boyutunda hareket edebilen tek odaklanmış bir lazer ışınıyla gerçekleştirilir.
"Optik Cımbız", bu buluşla Nobel Fizik Ödülü'nü kazanan Dr. Arthur Ashkin'in bir icadıdır. Cımbızı tüm boş alanlara uyguladıktan sonra, araştırmacılar atom dağılımının başka bir görüntüsünü elde ettiler ve hatasız atom kalıpları oluşturma sürecinin başarılı olup olmadığını belirlediler. Hala boş pozisyonlar varsa, montaj işlemi tekrarlanacaktır. Bir deneysel çalışmada 80'den fazla kez yapılabilir, bu da araştırma ekibinin yüksek olasılıkla büyük ölçekli hatasız kalıpları başarıyla oluşturmasının bir başka nedenidir. Çalışmada, araştırmacılar 19x19 kare bir ızgaraya çok sayıda tuzak (361) yerleştirdiler.Bu tuzaklar çok sayıda tek atoma (yaklaşık 200) karşılık gelir ve bu da montaj sürecini birçok kez tekrar etmelerine izin verir.
Tüm bu faktörler nihayetinde önceki tek atomlu kuantum sistemi montaj rekorunu kırmalarına yardımcı oldu. Fiziksel sistemin ölçeklenebilirliği, alanın daha da geliştirilmesi için kritik öneme sahiptir ve araştırmacılar, nötr atom tabanlı sistem modelinin boyutunu ve başarı oranını önemli ölçüde artırabilir. Daha önceki hiçbir deney, bırakın 100'den fazla, hatta 111'den fazla, 72 kübit olduğunu kanıtlamadı. Platformun açık bir beklentisi var ve ölçeklenebilirlik bu sayıyı bile aşıyor. Kuantum üstünlüğü genellikle 50 kübitten fazlasını gerektirir, ancak şimdiye kadar sadece birkaç kuantum teknolojisi deneyi bu eşiği aşabilir. Deneyde, araştırmacılar toplam 111 kübite ulaştı ve bu sayıyı nasıl daha da aşacaklarını açıkça biliyorlar.
Bu, deneysel platformun ölçeklenebilirliğini kanıtlar ve yüksek bir başarı oranıyla kuantum üstünlüğü durumuna girebilir, çünkü 8x8 = 64-bit modunun başarı oranının% 60'ı aştığını kanıtlar. Her deneyin çalışma süresi 1 saniyedir ve bu, her iki saniyede bir kuantum üstünlük sistemi altında kuantum işleme için yeni bir hatasız konfigürasyon sağlar. Bu araştırma, kuantum simülasyonu ve kuantum hesaplama dahil olmak üzere kuantum teknolojisi araştırmalarının birkaç alt alanı için önemli çıkarımlara sahip olabilir. Araştırmacılar şimdi platformlarını 1.000 kuantum sistemine genişletmeyi ve Ridberg etkileşimine dayalı iki boyutlu bir kuantum işlemci oluşturmak için atomlar arasında çift kübit kuantum kapılarını etkinleştirme yeteneğini artırmayı planlıyorlar. Bu şekilde, büyük ölçekli kuantum hesaplama ve kuantum simülasyonunu gerçekleştirmek için deneysel platformu kullanması da umulmaktadır.
Telif Hakkı Science X Network / Ingrid Fadelli, Phys
Referans Dergisi "Physics Review Letters"
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.122.203601
Brocade Park Bilim, Teknoloji, Bilimsel Araştırma, Popüler Bilim
