Квантовый компьютер на сотни тысяч кубитов стал реальностью — физики удержали атомы лазерными пинцетами размером с рисинку

Американские физики показали, как квантовые компьютеры на нейтральных атомах могут выйти на масштабы, которые еще недавно считались недостижимыми. Команда под руководством Себастьяна Вилла и Наньфана Ю из Колумбийский университет предложила объединить две хорошо известные, но ранее почти не пересекавшиеся технологии — оптические пинцеты и метаповерхности. Такой подход, по оценке авторов, открывает путь к системам с сотнями тысяч кубитов.

Платформа нейтральных атомов давно считается одной из самых перспективных в квантовых вычислениях. В ней отдельные атомы удерживаются в строго заданных точках с помощью сфокусированных лазерных лучей (так называемых оптических пинцетов) и каждый атом выполняет роль кубита. У этого подхода есть важное преимущество: все атомы одного вида абсолютно идентичны, поэтому не требуется сложная индивидуальная калибровка, которая становится серьезной проблемой по мере роста числа искусственно созданных кубитов.

Главным узким местом долгое время оставалось управление большими массивами атомов. Традиционные системы оптических пинцетов используют громоздкие и дорогие компоненты вроде пространственных модуляторов света или акустооптических дефлекторов. Они хорошо работают в небольших установках, но плохо масштабируются. Даже недавний рекорд Калифорнийского технологического института — около 6 100 удерживаемых атомов, хотя и стал заметным достижением, все равно далек от уровней, необходимых для практического квантового преимущества.

Колумбийская группа пошла другим путем. Вместо сложной оптики исследователи использовали метаповерхности — ультратонкие плоские элементы, состоящие из миллионов нанометровых структур. Когда через такую поверхность проходит один лазерный луч, она сразу формирует тысячи или десятки тысяч точек фокусировки. По сути, в одном слое совмещаются функции огромного числа микролинз, каждая из которых направляет свет в свою точку пространства.

Экспериментально ученые подтвердили работоспособность идеи, удержав около тысячи атомов стронция и показав, что платформа уверенно работает на масштабах, превышающих возможности существующих систем. При этом сами метаповерхности из нитрида кремния и диоксида титана выдерживают чрезвычайно высокие оптические нагрузки — интенсивность лазерного излучения превышает 2 000 Вт на квадратный миллиметр, что примерно в миллион раз больше солнечного света у поверхности Земли.

Гибкость новой схемы физики продемонстрировали на практике. С помощью метаповерхностных пинцетов им удалось выстроить атомы в ровные двумерные решетки, включая квадратную структуру из 1 024 позиций, квазикристаллические узоры и даже фигуру Статуи Свободы, собранную из сотен атомов. В одном из экспериментов использовалась метаповерхность диаметром 3,5 мм, содержащая более 100 млн наноструктур. Она позволила сформировать массив размером 600 на 600 точек — в общей сложности 360 000 оптических пинцетов, что на два порядка превосходит прежние технологии.

По мнению авторов, такой результат меняет представление о масштабируемости нейтрально-атомных платформ. Помимо квантовых компьютеров, подобные массивы могут найти применение в квантовых симуляторах и компактных оптических атомных часах. Работа показывает, что переход от лабораторных установок к действительно крупным квантовым системам упирается не только в физику, но и в то, насколько удачно удается переосмыслить оптическую архитектуру.