Fig. 1. Diagramma concettuale del gate a due qubit più veloce del mondo. Due atomi catturati in pinzette ottiche (luce rossa) con una separazione di un micrometro vengono manipolati da un impulso laser ultraveloce (luce blu) che brilla per soli 10 picosecondi. Credito:Dr. Takafumi Tomita (IMS)
Un gruppo di ricerca guidato dallo studente laureato Yeelai Chew, dal professore assistente Sylvain de Léséleuc e dal professor Kenji Ohmori presso l'Istituto di scienze molecolari, istituti nazionali di scienze naturali, sta utilizzando atomi raffreddati quasi allo zero assoluto e intrappolati in pinzette ottiche separate da un micron o quindi (vedi Fig. 1). Manipolando gli atomi con una speciale luce laser per 10 picosecondi, sono riusciti a eseguire il gate a due qubit più veloce del mondo, un'operazione fondamentale essenziale per l'informatica quantistica, che opera in soli 6,5 nanosecondi.
Questo computer quantistico ultraveloce, che utilizza laser ultraveloci per manipolare atomi freddi intrappolati con pinzette ottiche, dovrebbe essere un computer quantistico completamente nuovo che rompe i limiti dei tipi superconduttori e di ioni intrappolati attualmente in fase di sviluppo.
I risultati sono pubblicati nell'edizione online di Nature Photonics l'8 agosto 2022.
Computer quantistici basati su atomi freddi
I computer quantistici ad atomi freddi si basano su tecniche di raffreddamento e intrappolamento laser celebrate dai Premi Nobel del 1997 (S. Chu, C. Cohen-Tannoudji e WD Philipps, "Cooling and trapping atoms with laser light") e 2018 (A. Ashkin , invenzione delle pinzette ottiche). Queste tecniche facilitano la disposizione di array di atomi freddi in forme arbitrarie con pinzette ottiche e consentono di osservarli singolarmente.
Poiché gli atomi sono sistemi quantistici naturali, possono facilmente memorizzare bit quantistici di informazioni, il blocco costitutivo di base ("qubit") di un computer quantistico (vedi Fig. 2). Inoltre, questi atomi sono molto ben isolati dall'ambiente circostante e sono indipendenti l'uno dall'altro. Il tempo di coerenza (il tempo durante il quale persiste la sovrapposizione quantistica) di un qubit può raggiungere diversi secondi. Viene quindi eseguita una porta a due qubit (un elemento aritmetico di base essenziale per il calcolo quantistico) eccitando un elettrone dell'atomo in un orbitale elettronico gigante, chiamato orbitale di Rydberg.
Fig. 2. Schema di un bit quantistico che utilizza atomi di Rubidio. Credito:Dr. Takafumi Tomita (IMS)
Con queste tecniche, la piattaforma ad atomi freddi è emersa come uno dei candidati più promettenti per l'hardware dei computer quantistici, attirando l'attenzione dell'industria, del mondo accademico e dei governi di tutto il mondo. In particolare, ha un potenziale rivoluzionario in quanto può essere facilmente ampliato mantenendo un'elevata coerenza rispetto ai tipi superconduttori e a ioni intrappolati attualmente in fase di sviluppo.
Porte quantistiche
Le porte quantistiche sono gli elementi aritmetici di base che compongono il calcolo quantistico. Corrispondono alle porte logiche come AND e OR nei computer classici convenzionali. Esistono porte a un qubit che manipolano lo stato di un singolo qubit e porte a due qubit che generano un entanglement quantistico tra due qubit. Il gate a due qubit è la fonte delle prestazioni ad alta velocità nei computer quantistici ed è tecnicamente impegnativo. La più importante porta a due qubit è chiamata "porta Z controllata (porta CZ)", che è un'operazione che inverte la sovrapposizione quantistica di un primo qubit da 0 + 1 a 0—1 a seconda dello stato (0 o 1 ) di un secondo qubit (vedi Fig. 3).
Fig. 3. Funzionamento della porta quantistica. (Superiore) Quando l'atomo 1 è nello stato "0", non accade nulla. Quando l'atomo 1 è nello stato "1", il segno della sovrapposizione dell'atomo 2 cambia da positivo a negativo. Questa operazione è al centro dell'algoritmo quantistico che gira sui computer quantistici. Credito:Dr. Takafumi Tomita (IMS)
L'accuratezza (fedeltà) del gate quantistico è facilmente degradata dal rumore proveniente dall'ambiente esterno e dal laser operativo, il che rende difficile lo sviluppo dei computer quantistici. Poiché la scala temporale del rumore è generalmente più lenta di un microsecondo, se si può realizzare una porta quantistica sufficientemente più veloce di questa sarà possibile evitare il degrado dell'accuratezza di calcolo dovuto al rumore e avvicinarci molto alla realizzazione di una pratica computer quantistico. Pertanto, negli ultimi 20 anni, tutta la ricerca sull'hardware dei computer quantistici ha perseguito porte più veloci. Il gate ultraveloce di 6,5 nanosecondi raggiunto da questa ricerca con l'hardware dell'atomo freddo è più di due ordini di grandezza più veloce del rumore e quindi può ignorarne gli effetti. Il precedente record mondiale era di 15 nanosecondi, raggiunto da Google AI nel 2020 con circuiti superconduttori.
Metodo sperimentale
L'esperimento è stato condotto utilizzando atomi di rubidio. In primo luogo, due atomi di rubidio in fase gassosa che erano stati raffreddati a una temperatura ultra-bassa di circa 1/100.000 di Kelvin utilizzando fasci laser sono stati disposti a un intervallo di micron con pinzette ottiche. I ricercatori li hanno quindi irradiati con impulsi laser ultracorti che emettevano luce per solo 1/100 miliardesimo di secondo e hanno osservato i cambiamenti che si sono verificati. Due elettroni intrappolati rispettivamente negli orbitali più piccoli (5S) di due atomi adiacenti (atomo 1 e atomo 2) sono stati lanciati in orbitali elettronici giganti (orbitali di Rydberg, qui 43D). L'interazione tra questi atomi giganti ha quindi portato a uno scambio periodico, avanti e indietro della forma orbitale e dell'energia elettronica che si verifica con un periodo di 6,5 nanosecondi.
Dopo un'oscillazione, le leggi della fisica quantistica impongono che il segno della funzione d'onda venga capovolto, realizzando così la porta a due qubit (porta Z controllata). Usando questo fenomeno, hanno eseguito un'operazione di gate quantistico utilizzando un qubit (Fig. 2) in cui lo stato elettronico 5P è lo stato "0" e lo stato elettronico 43D è lo stato "1". Gli atomi 1 e 2 sono stati preparati rispettivamente come qubit 1 e 2 e lo scambio di energia è stato indotto utilizzando un impulso laser ultracorto. Durante un ciclo di scambio di energia, il segno dello stato di sovrapposizione del qubit 2 è stato invertito solo quando il qubit 1 era nello stato "1" (Fig. 3). Questo cambio di segno è stato osservato sperimentalmente dal gruppo di ricerca, dimostrando così che un gate a due qubit può essere utilizzato in 6,5 nanosecondi, il più veloce al mondo.
Si prevede che la realizzazione del gate ultraveloce più veloce del mondo, ottenuto questa volta con un metodo completamente nuovo di "manipolazione di atomi distanziati di due micron raffreddati fino allo zero quasi assoluto utilizzando un laser ultraveloce", accelererà notevolmente l'attenzione mondiale sull'hardware degli atomi freddi. + Esplora ulteriormente
