Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci zachytili atomy ochlazené na téměř absolutní nulu v optických pinzetách oddělených od sebe přibližně mikrometr. Manipulací s atomy pomocí speciálního laserového světla po dobu 10 pikosekund se jim pak podařilo realizovat nejrychlejší dvouqubitové hradlo na světě. Základní operace kvantové počítání zde proběhne za pouhých 6,5 nanosekundy.
Tento nový typ kvantového počítače by mohl konkurovat dnes pokročilejším technologiím (hlavně qubity na bázi supravodičů) i jako základní platforma. Doba koherence (superpozice, trvání kvantového výpočtu) může u chladných atomů v optických pastech trvat až sekundy – vzhledem k rychlosti hradla to tedy potenciálně umožňuje provést obrovské množství kvantových výpočtů. Autoři výzkumu z japonského National Institutes of Natural Sciences uvádějí, že jejich hradlo je zhruba o 2 řády rychlejší než šum, který nakonec superpozici zničí.
Základem nově zkonstruovaného hradla je jeden elektron atomů excitovaný do tzv. Rydbergova orbitalu. Kvantová hradla jsou obdobou klasických logických hradel. Existují jednoqubitová hradla, která manipulují se stavem jednoho qubitu, a dvouqubitová hradla, která generují kvantové provázání mezi dvěma qubity. Dvouqubitová hradla jsou technicky náročnější. Nejdůležitější dvouqubitové hradlo se nazývá CZ (controlled-Z gate). Právě to nyní vědci sestrojili, jeho fungování ukazuje obrázek níže. Předchozí rekord pro rychlost operace na tomto hradlu byl 15 nanosekund. V roce 2020 ho dosáhli výzkumníci z Googlu, ovšem v rámci jiné použité technologie (supravodivých obvodů).
Technické podrobnosti podle průvodní tiskové zprávy:
Experiment byl proveden s využitím atomů rubidia. Nejprve byly dva atomy rubidia v plynné fázi pomocí laserových paprsků ochlazeny na ultranízkou teplotu přibližně 1/100 000 K a uspořádány v mikronové vzdálenosti pomocí optické pinzety. Poté je vědci ozářili ultrakrátkými laserovými pulzy, které vyzařovaly světlo po dobu pouhé stomiliardtiny sekundy, a pozorovali změny, k nimž došlo. Dva elektrony uvězněné v nejmenších orbitalech (5S) dvou sousedních atomů byly excitovány do obřích Rydbergových elektronových orbitalů. Interakce mezi těmito obřími atomy pak vedla k periodické výměně tvaru orbitalu a energie elektronu tam a zpět s periodou 6,5 nanosekundy. Po jedné oscilaci se podle zákonů kvantové fyziky převrátí znaménko vlnové funkce, čímž se realizuje dvouqubitové hradlo (řízené hradlo Z).
Kvantové hradlo CZ (controlled-Z gate). V závislosti na stavu prvního qubitu se (ne)mění stav superpozice na druhém qubitu. Credit: Dr. Takafumi Tomita (IMS)
Sylvain Léséleuc, Ultrafast energy exchange between two single Rydberg atoms on a nanosecond timescale, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01047-2. www.nature.com/articles/s41566-022-01047-2
Zdroj: National Institutes of Natural Sciences / Phys.org
