Investigadores de la Technische Universität Darmstadt han demostrado recientemente el ensamblaje sin defectos de patrones de objetivos versátiles de hasta 111 sistemas cuánticos de un solo átomo. Sus hallazgos, esbozado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , podría impulsar arquitecturas de átomos ensamblados más allá del umbral de la ventaja cuántica, allanando el camino para nuevos avances en ciencia y tecnología cuánticas.

"Nuestra investigación está impulsada por la observación de que las ciencias físicas están justo en medio de un cambio de paradigma en el que la aplicación de la física cuántica, es decir, tecnologías cuánticas, se están convirtiendo en las tecnologías líderes en un futuro próximo, "Gerhard Birkl, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Ya se puede prever una amplia lista de aplicaciones, pero estoy convencido de que, de la mayoría de las aplicaciones, ni siquiera somos conscientes".

El siguiente paso para el campo de la ciencia y tecnología cuántica es el desarrollo de plataformas experimentales que ofrecen una amplia escalabilidad, correlaciones cuánticas multisitio y corrección eficiente de errores cuánticos. Durante el siglo pasado más o menos, Los investigadores han realizado una cantidad sustancial de trabajo en sistemas cuánticos únicos, sentar las bases de los desarrollos actuales. Los sistemas cuánticos atómicos han jugado un papel clave en estos estudios, átomos particularmente neutros atrapados por la luz, ya que proporcionan sistemas cuánticos bien aislados con escalado favorable.

"Para las próximas generaciones de tecnologías cuánticas, yendo a múltiples sistemas cuánticos, es decir, aumentar el tamaño del sistema es fundamental, "Dijo Birkl." Por esa razón nos dimos la directiva para desarrollar una plataforma novedosa que proporcione arquitecturas altamente escalables para sistemas cuánticos atómicos con control total de todos los parámetros relevantes para el avance de las tecnologías cuánticas de vanguardia ".

Al desarrollar la base tecnológica para su experimento, Birkl y sus estudiantes que participaron en el estudio se centraron en átomos neutros enfriados por láser con trampas ópticas, ya que se benefician de los avances científicos de los últimos 25 años. Estos avances incluyen enfriamiento y captura con láser, Condensación de Bose-Einstein, la manipulación de sistemas cuánticos individuales, y pinzas ópticas.

"Finalmente, nos dimos cuenta de que la combinación de estos desarrollos científicos con tecnologías ópticas avanzadas como la microfabricación de matrices de microlentes a gran escala genera una plataforma ideal para el avance de tecnologías cuánticas escalables, "Dijo Birkl." Lo fundamental de nuestro trabajo es que aplicamos una arquitectura experimental novedosa en la que generamos un patrón 2-D de trampas ópticas para átomos neutros basados ​​en matrices 2-D de microlentes ".

Usando un gran rayo láser que ilumina muchas lentes, los investigadores pudieron generar varias trampas láser simultáneamente. Generaron hasta 400 de estas trampas en paralelo y luego pudieron abordarlas individualmente.

Su experimento tuvo varios pasos. Birkl y sus colegas comenzaron creando una nube de átomos de rubidio en un sistema de vacío a temperatura ambiente, utilizando una trampa magnetoóptica (MOT). Esto les permitió generar varios millones de átomos de rubidio a una temperatura de aproximadamente 100 microKelvin. Después, activaron el patrón de trampas láser y transfirieron átomos a estas trampas, con un máximo de 1 átomo por trampa.

"Generamos patrones que consisten en sitios de trampa con exactamente uno o cero átomos, "Birkl explicó." A continuación, tomamos una imagen del patrón y esto nos permitió identificar los sitios ocupados (que no requirieron más acciones) y los sitios vacíos ".

Una vez que determinaron qué sitios estaban ocupados y cuáles vacantes, los investigadores llenaron todos los sitios vacíos; recoger un solo átomo de un sitio lleno fuera del patrón objetivo y transportarlo a un sitio vacío en el patrón objetivo. Este proceso de transporte se llevó a cabo utilizando un rayo láser de un solo foco que podía moverse en 2-D a lo largo de toda la matriz de trampas.

"Esto funciona como pinzas hechas de luz, por lo que se les conoce como 'Pinzas ópticas' y son la invención del Dr. Arthur Ashkin, quien recibió parte del Premio Nobel de Física 2018 por esta invención, "Dijo Birkl." Después de aplicar las pinzas para todos los sitios vacíos, tomamos otra imagen de la distribución de los átomos y determinamos el éxito del proceso de generación de patrones de átomos libres de defectos. En caso de que todavía tengamos sitios vacíos, Repetimos el proceso de montaje una vez más. Podemos hacer esto hasta 80 veces en una ejecución experimental, que es otra razón de nuestro éxito en la generación de grandes patrones sin defectos con alta probabilidad ".

En su estudio, los investigadores operaron en una gran cantidad de trampas (361), colocado en una cuadrícula de 19x19, que correspondía a un número sustancial de átomos individuales (aproximadamente 200) y esto les permitió repetir el proceso de ensamblaje en numerosas ocasiones. Todos estos factores finalmente los ayudaron a romper el récord anterior de ensamblaje de sistemas cuánticos de un solo átomo.

"La escalabilidad de los sistemas físicos utilizados es fundamental para seguir avanzando en este campo, ", Dijo Birkl." Pudimos aumentar significativamente el tamaño del patrón y la probabilidad de éxito de los sistemas basados ​​en átomos neutros. Ningún experimento relacionado ha demostrado más de 72 qubits antes, no hace falta decir más de 100, o incluso 111. Nuestra plataforma tiene la perspectiva explícita de ser escalable incluso mucho más allá de esos números ".

La supremacía cuántica normalmente requiere más de 50 qubits, sin embargo, hasta ahora, solo unos pocos experimentos de tecnología cuántica pudieron superar este umbral. En su experimento, los investigadores alcanzaron un total de 111 qubits con un plan claro de cómo superar aún más este número. Esta es una prueba de la escalabilidad de su plataforma experimental.

"Además, podríamos entrar en el régimen de supremacía cuántica con altas tasas de éxito, como demostramos una tasa de éxito de más del 60% para un patrón con 8x8 =64 qubits, "Birkl agregó." Con la duración de una ejecución experimental de 1 segundo, esto da una nueva configuración libre de defectos para el procesamiento cuántico en el régimen de supremacía cuántica cada dos segundos ".

El estudio realizado por Birkl y su equipo podría tener importantes implicaciones para varios subcampos de la investigación en tecnología cuántica. incluyendo simulación cuántica y computación cuántica. Los investigadores ahora planean escalar su plataforma a 1000 sistemas cuánticos, También se agrega la capacidad de iniciar puertas cuánticas de dos qubits entre átomos para construir un procesador cuántico 2-D basado en interacciones de Rydberg. De este modo, También esperan implementar computación cuántica a gran escala y simulaciones cuánticas utilizando su plataforma experimental.

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