Матрица оптических пинцетов с 6100 когерентными кубитами

Введение

Оптические пинцеты стали незаменимым инструментом в атомной и молекулярной физике. Как правило, эти устройства входят в состав сложных экспериментальных систем, где отвечают за управление одиночными атомами, их захват, удержание и детектирование. Особенно заметен прогресс, стимулированный применением оптических пинцетов, в квантовых вычислениях, квантовом моделировании, оптической частотной метрологии. Так, например, нейтральные атомы, захваченные в массив оптических ловушек, представляют собой перспективную масштабируемую платформу для квантовых вычислений.

Главная цель данного исследования — создание и демонстрация принципов работы масштабируемой системы из 12000 оптических ловушек, способной улавливать до 6100 кубитов на основе атомов цезия. Кроме того, в работе измерены рекордные показатели времени когерентности кубитов и длительности удержания атомов при комнатной температуре, а также рассмотрена возможность создания зонной архитектуры универсальных квантовых компьютеров на предлагаемой платформе.

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка представляет собой специализированную вакуумную камеру, поддерживаемую при комнатной температуре. 3D-рендер камеры представлен на рисунке 1. Камера оснащена ионным и двумя титановыми сублимационными насосами для поддержания сверхвысокого вакуума во внутреннем объёме.

Рисунок 1 — Вакуумная камера (3D модель)

Внутри камеры с помощью жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ПВМС) формируется оптическое поле с равномерно распределёнными ловушками для атомов. В качестве источников излучения используются два волоконных усилителя на длинах волн 1055 нм (Precilasers) и 1061 нм. В сформированные ловушки помещаются атомы изотопа цезия-133. В конечном итоге подобная конфигурация установки обеспечивает до 11998 ловушек со средней глубиной 0,18 мК, гарантирующих стабильное удержание и низкую вероятность потери атомов. Схема оптической системы приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Схема оптической системы

Для системы визуализации фотонов, рассеянных одиночными атомами, используется qCMOS-камера высокого разрешения (Hamamatsu ORCA-Quest C15550-20UP). Адресация к отдельным кубитам и перемещение атомов выполняются с помощью акустооптических дефлекторов (Gooch & Housego AODF 4085). Высокоскоростная однокубитная адресация в сочетании с временем считывания камеры ~80 мс гарантируют гибкость управления и точность операций с минимальным воздействием на окружающие кубиты.

Результаты

В ходе эксперимента достигнуты рекордные показатели сразу по нескольким параметрам, среди которых: время когерентности сверхтонкой структуры кубитов 12,6 секунд, время удержания атомов при комнатной температуре до 23 минут. Точность детектирования 99.99% и вероятность сохранения квантовых состояний до 99.98952% гарантируют надёжность новой платформы для масштабируемых вычислений.

Также продемонстрирована методика когерентной транспортировки атомов на расстояние до 610 мкм с точностью до 99.95%. Это является важным достижением на пути к реализации зонной архитектуры вычислений, основанной на перемещении атомарных кубитов между зонами хранения, взаимодействия и считывания.

Результаты проведённого исследования доказывают, что платформа оптических ловушек успешно масштабируется до тысяч атомных кубитов с сохранением высокой точности и времени когерентности. Это обстоятельство открывает новые перспективы для создания крупномасштабных квантовых компьютеров, способных реализовать квантовую коррекцию ошибок и выполнять сложные квантовые алгоритмы.

Источник: Manetsch H. J. et al. A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits //arXiv preprint arXiv:2403.12021. – 2024.

Компания INSCIENCE поставляет широкий спектр научно-технических решений для квантовых вычислений.