I ricercatori della Technische Universität Darmstadt hanno recentemente dimostrato l'assemblaggio privo di difetti di modelli target versatili di un massimo di 111 sistemi quantistici a singolo atomo. Le loro scoperte, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , potrebbe guidare architetture di atomi assemblati oltre la soglia del vantaggio quantistico, aprendo la strada a nuove scoperte nella scienza e nella tecnologia quantistica.

"La nostra ricerca è guidata dall'osservazione che le scienze fisiche sono proprio nel mezzo di un cambio di paradigma in cui l'applicazione della fisica quantistica, cioè tecnologie quantistiche, stanno diventando le tecnologie leader nel prossimo futuro, " Gerhard Birkl, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "È già prevedibile un vasto elenco di applicazioni, ma sono convinto che della maggior parte delle applicazioni non siamo nemmeno a conoscenza".

Il prossimo passo per il campo della scienza e della tecnologia quantistica è lo sviluppo di piattaforme sperimentali che offrono un'ampia scalabilità, correlazioni quantistiche multisito ed efficiente correzione degli errori quantistici. Nel corso dell'ultimo secolo o giù di lì, i ricercatori hanno svolto una notevole mole di lavoro su singoli sistemi quantistici, gettare le basi per gli sviluppi attuali. I sistemi quantistici atomici hanno svolto un ruolo chiave in questi studi, atomi particolarmente neutri intrappolati dalla luce, in quanto forniscono sistemi quantistici ben isolati con scalabilità favorevole.

"Per le prossime generazioni di tecnologie quantistiche, andando a più sistemi quantistici, cioè aumentare le dimensioni del sistema è fondamentale, "Ha detto Birkl. "Per questo motivo ci siamo dati la direttiva per sviluppare una nuova piattaforma che fornisca architetture altamente scalabili per sistemi quantistici atomici con il pieno controllo di tutti i parametri rilevanti per il progresso delle tecnologie quantistiche all'avanguardia".

Quando si sviluppano le basi tecnologiche per il loro esperimento, Birkl e i suoi studenti coinvolti nello studio si sono concentrati sugli atomi neutri raffreddati al laser con trappole ottiche, poiché beneficiano delle scoperte scientifiche degli ultimi 25 anni. Queste innovazioni includono il raffreddamento e l'intrappolamento laser, condensazione di Bose-Einstein, la manipolazione dei singoli sistemi quantistici, e pinzette ottiche.

"Finalmente, ci siamo resi conto che la combinazione di questi sviluppi scientifici con tecnologie ottiche avanzate come la microfabbricazione di matrici di microlenti su larga scala genera una piattaforma ideale per il progresso delle tecnologie quantistiche scalabili, "Birkl ha detto. "Al centro del nostro lavoro è che applichiamo una nuova architettura sperimentale in cui generiamo un modello 2-D di trappole ottiche per atomi neutri basato su array 2-D di microlenti".

Utilizzando un grande raggio laser che illumina molte lenti, i ricercatori sono stati in grado di generare diverse trappole laser contemporaneamente. Hanno generato fino a 400 di queste trappole in parallelo e sono state quindi in grado di affrontarle individualmente.

Il loro esperimento ha avuto diversi passaggi. Birkl e i suoi colleghi hanno iniziato creando una nuvola di atomi di rubidio in un sistema sottovuoto a temperatura ambiente, utilizzando una trappola magneto-ottica (MOT). Ciò ha permesso loro di generare diversi milioni di atomi di rubidio a una temperatura di circa 100 microKelvin. Successivamente, hanno attivato il modello di trappole laser e trasferito atomi in queste trappole, con un massimo di 1 atomo per trappola.

"Abbiamo generato modelli che consistono in siti di trappole con esattamente uno o zero atomi, " Birkl ha spiegato. "Avanti, abbiamo preso un'immagine del modello e questo ci ha permesso di identificare i siti occupati (che non hanno richiesto ulteriori azioni) e i siti vuoti".

Una volta determinati quali siti erano occupati e quali vacanti, i ricercatori hanno riempito tutti i siti vuoti; prelevare un singolo atomo da un sito pieno al di fuori del modello di destinazione e trasportarlo in un sito vuoto nel modello di destinazione. Questo processo di trasporto è stato effettuato utilizzando un raggio laser a fuoco singolo che poteva muoversi in 2-D attraverso l'intero array di trappole.

"Funziona come pinzette fatte di luce, per questo motivo sono indicati come "Pinzette ottiche" e sono l'invenzione del Dr. Arthur Ashkin che ha ricevuto parte del Premio Nobel per la Fisica 2018 per questa invenzione, " Birkl ha detto. "Dopo aver applicato le pinzette per tutti i siti vuoti, prendiamo un'altra immagine della distribuzione atomica e determiniamo il successo del processo di generazione di modelli atomici privi di difetti. Nel caso in cui abbiamo ancora siti vuoti, ripetiamo il processo di assemblaggio ancora una volta. Possiamo farlo fino a 80 volte in una corsa sperimentale, che è un'altra ragione del nostro successo nella generazione di grandi modelli privi di difetti con alta probabilità."

Nel loro studio, i ricercatori hanno operato su un gran numero di trappole (361), posto in una griglia quadrata di 19x19, che corrispondeva ad un numero consistente di singoli atomi (circa 200) e questo permetteva loro di ripetere più volte il processo di assemblaggio. Tutti questi fattori alla fine li hanno aiutati a battere il precedente record per l'assemblaggio di sistemi quantistici a singolo atomo.

"La scalabilità dei sistemi fisici utilizzati è fondamentale per ulteriori progressi in questo campo, " Birkl ha detto. "Siamo stati in grado di aumentare significativamente la dimensione del modello e la probabilità di successo dei sistemi basati su atomi neutri. Nessun esperimento correlato ha dimostrato più di 72 qubit prima, inutile dire più di 100, o addirittura 111. La nostra piattaforma ha l'esplicita prospettiva di essere scalabile anche ben oltre quei numeri."

La supremazia quantistica richiede in genere oltre 50 qubit, eppure finora solo pochi esperimenti di tecnologia quantistica sono stati in grado di superare questa soglia. Nel loro esperimento, i ricercatori hanno raggiunto un totale di 111 qubit con un piano chiaro su come superare ulteriormente questo numero. Questa è la prova della scalabilità della loro piattaforma sperimentale.

"Inoltre, potremmo entrare nel regime della supremazia quantistica con alti tassi di successo, poiché abbiamo dimostrato una percentuale di successo superiore al 60% per un pattern con 8x8 =64 qubit, " ha aggiunto Birkl. "Con la durata di una corsa sperimentale di 1 secondo, questo fornisce nuove configurazioni prive di difetti per l'elaborazione quantistica nel regime della supremazia quantistica ogni due secondi".

Lo studio condotto da Birkl e dal suo team potrebbe avere importanti implicazioni per diversi sottocampi della ricerca sulla tecnologia quantistica, tra cui simulazione quantistica e calcolo quantistico. I ricercatori stanno ora pianificando di aumentare la loro piattaforma fino a 1000 sistemi quantistici, aggiungendo anche la possibilità di avviare porte quantistiche a due qubit tra gli atomi per costruire un processore quantistico 2-D basato sulle interazioni di Rydberg. In questo modo, sperano anche di implementare il calcolo quantistico su larga scala e le simulazioni quantistiche utilizzando la loro piattaforma sperimentale.

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