Η αρχιτεκτονική ουδέτερων ατόμων για την κβαντική υπολογιστική έχει προοδεύσει ταχέως τα τελευταία χρόνια και μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature αποκαλύπτει ένα ακόμα βήμα προς τα εμπρός για αυτήν την τεχνολογία. Η ομάδα ερευνητών του Χάρβαρντ που συμμετείχε στη μελέτη σχεδίασε ένα σύστημα ουδέτερων ατόμων 3.000 qubit, ικανό να λειτουργεί συνεχώς για περισσότερες από δύο ώρες, ξεπερνώντας κατά πολύ τον συνήθη χρόνο παγίδευσης των περίπου 60 δευτερολέπτων.
Οπτικά τσιμπιδάκια και απώλεια ατόμων
Κανονικά, τα συστήματα ουδέτερων ατόμων τοποθετούν ουδέτερα άτομα, όπως ρουβίδιο, σε ένα πλέγμα χρησιμοποιώντας εξαιρετικά εστιασμένες ακτίνες λέιζερ, που ονομάζονται «οπτικά τσιμπιδάκια». Τα μεμονωμένα άτομα τοποθετούνται και διατηρούνται υπό συνθήκες κενού και στη συνέχεια χρησιμοποιούνται ως qubit για την εκτέλεση κβαντικών υπολογισμών και άλλων λειτουργιών. Ωστόσο, η διαδικασία προκαλεί την απώλεια ορισμένων ατόμων.
«Μια σημαντική πρόκληση που σχετίζεται με αυτά τα συστήματα είναι η απώλεια ατόμων, που προκύπτει από σφάλματα στις λειτουργίες εμπλοκής, στην ανάγνωση της κατάστασης και από τη διάρκεια ζωής της παγίδας. Οι απώλειες αυτές απαιτούν παλμική λειτουργία, η οποία περιορίζει την απόδοση αυτών των κβαντικών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένου του βάθους των κβαντικών κυκλωμάτων, της ακρίβειας των ατομικών ρολογιών και του ρυθμού δημιουργίας εμπλοκής στα κβαντικά δίκτυα», εξηγούν οι συγγραφείς της μελέτης.
Σύστημα συνεχούς λειτουργίας με κυλιόμενο πλέγμα
Το νέο σύστημα της ομάδας δεν απαιτεί πλέον παλμική λειτουργία. Αντίθετα, χρησιμοποιεί ένα διπλό οπτικό πλέγμα, τύπου κυλιόμενης ταινίας, για τη μεταφορά αποθεμάτων ψυχρών ατόμων σε μια περιοχή πειραμάτων. Εκεί, τα άτομα τοποθετούνται στα οπτικά τσιμπιδάκια με ρυθμό επαναφόρτωσης 300.000 ατόμων ανά δευτερόλεπτο, και στη συνέχεια 30.000 qubit αρχικοποιούνται ανά δευτερόλεπτο, τα οποία χρησιμοποιούνται για τη συνεχή ανανέωση της διάταξης των 3.000 ατόμων.
Η ομάδα κατάφερε να διατηρήσει αυτόν τον ρυθμό για πάνω από δύο ώρες, διατηρώντας παράλληλα τη συνοχή και την πόλωση των qubit, ακόμη και για qubit σε καταστάσεις υπέρθεσης.
Αυτό το σύστημα επιτρέπει τη διατήρηση της πληροφορίας, ακόμη και όταν τα άτομα αντικαθίστανται, καθώς η πληροφορία μεταφέρεται στη νέα διάταξη ατόμων.
Προοπτικές για περαιτέρω βελτίωση
Αν και τα νέα επιτεύγματα είναι εντυπωσιακά, η ομάδα πιστεύει ότι το σύστημα μπορεί να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο. Οι ρυθμοί επαναφόρτωσης μπορούν ενδεχομένως να αυξηθούν μέσω της βελτιστοποίησης της ανάγνωσης και της αναδιάταξης με τη βοήθεια τεχνητής νοημοσύνης και προγραμματιζόμενων πυλών πεδίου (FPGA), φτάνοντας σε ταχύτητες έως και πέντε φορές μεγαλύτερες. Υποστηρίζουν επίσης ότι μεγαλύτερες διατάξεις και μεγαλύτεροι χρόνοι λειτουργίας είναι εφικτοί με βελτιωμένα οπτικά και σταθεροποίηση.
«Επιπλέον, ενώ τα παρόντα πειράματα επιδεικνύουν συνεχή λειτουργία για πάνω από δύο ώρες, η επίτευξη πολύ μεγαλύτερης διάρκειας λειτουργίας θα ωφεληθεί από την ενεργή σταθεροποίηση της επικάλυψης των SLM-AOD τσιμπιδιών ή από αυτοματοποιημένες διαδικασίες ευθυγράμμισης των δεσμών.
Τέλος, ισχυρότερα λέιζερ παγίδευσης και διοπτρικά οπτικά υψηλής απόδοσης, όπως μεταεπιφάνειες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα για την κλιμάκωση του μεγέθους των ζωνών αποθήκευσης και προετοιμασίας, υποστηρίζοντας τη συνεχή λειτουργία δεκάδων χιλιάδων ατομικών qubit», αναφέρουν.
Νέες δυνατότητες για τα κβαντικά δίκτυα και τους αισθητήρες
Τέτοιες εξελίξεις μπορούν να επιτρέψουν ταχύτερη, πιο αξιόπιστη κβαντική δικτύωση και διανομή εμπλεκομένων καταστάσεων, επιπλέον της ενίσχυσης της μηχανικής συστημάτων όπως τα ατομικά ρολόγια συνεχούς λειτουργίας και οι κβαντικοί αισθητήρες με μεγαλύτερη σταθερότητα και εύρος ζώνης.
More information: Neng-Chun Chiu et al, Continuous operation of a coherent 3,000-qubit system, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09596-6. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2506.20660
