Στα τέλη του περασμένου έτους, ο τεχνολογικός γίγαντας IBM ανακοίνωσε αυτό που μπορεί να ακούγεται ως ορόσημο στον κβαντικό υπολογισμό: το πρώτο τσιπ που κυκλοφόρησε ποτέ, που ονομάζεται Condor, με περισσότερα από 1,000 κβαντικά bit ή qubits. Δεδομένου ότι αυτό ήταν μόλις δύο χρόνια αφότου η εταιρεία παρουσίασε το Eagle, το πρώτο τσιπ με περισσότερα από 100 qubits, φαινόταν σαν το πεδίο να κινείται προς τα εμπρός. Η κατασκευή κβαντικών υπολογιστών που μπορούν να λύσουν χρήσιμα προβλήματα που ξεπερνούν το πεδίο εφαρμογής ακόμη και των ισχυρότερων από τους σημερινούς κλασικούς υπερυπολογιστές απαιτεί την κλιμάκωση τους ακόμη περισσότερο — ίσως σε πολλές δεκάδες ή εκατοντάδες χιλιάδες qubits. Αλλά αυτό είναι σίγουρα μόνο θέμα μηχανικής, σωστά;

Οχι απαραίτητα. Οι προκλήσεις της κλιμάκωσης είναι τόσο μεγάλες που ορισμένοι ερευνητές πιστεύουν ότι θα απαιτηθεί εντελώς διαφορετικό υλικό από τα μικροηλεκτρονικά που χρησιμοποιούνται από εταιρείες όπως η IBM και η Google. Τα qubits στο Condor και στο τσιπ Sycamore της Google είναι κατασκευασμένα από βρόχους υπεραγώγιμου υλικού. Αυτά τα υπεραγώγιμα qubits ήταν μέχρι στιγμής ο λαγός στον αγώνα για τους κβαντικούς υπολογιστές πλήρους κλίμακας. Αλλά τώρα υπάρχει μια χελώνα που έρχεται από πίσω: qubits φτιαγμένα από μεμονωμένα άτομα.

Οι πρόσφατες εξελίξεις έχουν μετατρέψει αυτά τα «qubit ουδέτερου ατόμου» από αουτσάιντερ σε κορυφαίους διεκδικητές.

«Τα τελευταία δύο ή τρία χρόνια σημειώθηκαν ταχύτερες προόδους από οποιαδήποτε προηγούμενη τέτοια περίοδο», δήλωσε ο φυσικός Mark Saffman του Πανεπιστημίου του Wisconsin, Madison, ο οποίος μέτρησε τουλάχιστον πέντε εταιρείες που αγωνίζονται για την εμπορευματοποίηση κβαντικών υπολογιστών ουδέτερου ατόμου.

Όπως τα bit στους συνηθισμένους υπολογιστές, τα qubits κωδικοποιούν δυαδικές πληροφορίες — 1 και 0. Αλλά ενώ ένα bit βρίσκεται πάντα στη μία ή στην άλλη κατάσταση, οι πληροφορίες σε ένα qubit μπορούν να μείνουν απροσδιόριστες, σε μια λεγόμενη «υπέρθεση» που δίνει βάρος και στις δύο πιθανότητες. Για να πραγματοποιηθεί ένας υπολογισμός, τα qubits συνδέονται χρησιμοποιώντας το φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική εμπλοκή, το οποίο καθιστά τις πιθανές καταστάσεις τους αλληλοεξαρτώμενες. Ένας συγκεκριμένος κβαντικός αλγόριθμος μπορεί να απαιτεί μια διαδοχή εμπλοκών μεταξύ διαφορετικών συνόλων qubits και η απάντηση διαβάζεται στο τέλος του υπολογισμού όταν γίνεται μια μέτρηση, συμπτύσσοντας κάθε υπέρθεση σε ένα συγκεκριμένο 1 ή 0.

Η ιδέα της χρήσης των κβαντικών καταστάσεων των ουδέτερων ατόμων για την κωδικοποίηση πληροφοριών με αυτόν τον τρόπο ήταν προτείνεται στις αρχές της δεκαετίας του 2000 από τον φυσικό του Χάρβαρντ Μιχαήλ Λούκιν και συναδέλφους, και Επίσης από μια ομάδα με επικεφαλής τον Ιβάν Ντόιτς του Πανεπιστημίου του Νέου Μεξικού. Για πολύ καιρό, η ευρύτερη ερευνητική κοινότητα συμφώνησε ότι ο κβαντικός υπολογισμός ουδέτερου ατόμου ήταν μια εξαιρετική ιδέα κατ' αρχήν, είπε ο Lukin, αλλά ότι «απλώς δεν λειτουργεί» στην πράξη.

«Αλλά 20 χρόνια αργότερα, οι άλλες προσεγγίσεις δεν έχουν κλείσει τη συμφωνία», είπε ο Saffman. «Και το σύνολο δεξιοτήτων και οι τεχνικές που απαιτούνται για να λειτουργήσουν τα ουδέτερα άτομα εξελίσσονται σταδιακά σε σημείο που φαίνονται πολλά υποσχόμενα».

Το εργαστήριο του Λούκιν στο Χάρβαρντ ήταν μεταξύ εκείνων που πρωτοστάτησαν. Τον Δεκέμβριο, αυτός και οι συνάδελφοί του αναφερθεί ότι δημιούργησαν προγραμματιζόμενα κβαντικά κυκλώματα με εκατοντάδες qubit ουδέτερου ατόμου και είχαν πραγματοποιήσει κβαντικούς υπολογισμούς και διόρθωση σφαλμάτων με αυτά. Και αυτόν τον μήνα, μια ομάδα στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια αναφερθεί ότι έφτιαξαν μια συστοιχία 6,100 ατομικών qubits. Τέτοια αποτελέσματα κερδίζουν όλο και περισσότερο τους μετατροπείς σε αυτήν την προσέγγιση.

«Πριν από δέκα χρόνια δεν θα είχα συμπεριλάβει αυτές τις μεθόδους [ουδέτερου ατόμου] εάν αντιστάθμιζε τα στοιχήματα για το μέλλον των κβαντικών υπολογιστών», είπε. Andrew Steane, θεωρητικός της κβαντικής πληροφορίας στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. «Αυτό θα ήταν λάθος».

Μάχη των Κουμπίτς

Ένα βασικό ζήτημα στον διαγωνισμό μεταξύ των τύπων qubit είναι πόσο καιρό κάθε είδος qubit μπορεί να διατηρήσει την υπέρθεσή του πριν αλλάξει από κάποια τυχαία (για παράδειγμα, θερμική) διακύμανση. Για υπεραγώγιμα qubits όπως της IBM και της Google, αυτός ο «χρόνος συνοχής» είναι συνήθως γύρω στο ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου στην καλύτερη περίπτωση. Όλα τα βήματα ενός κβαντικού υπολογισμού πρέπει να συμβαίνουν εντός αυτού του χρονικού πλαισίου.

Ένα πλεονέκτημα της κωδικοποίησης πληροφοριών στις καταστάσεις μεμονωμένων ατόμων είναι ότι οι χρόνοι συνοχής τους είναι συνήθως πολύ μεγαλύτεροι. Επιπλέον, σε αντίθεση με τα υπεραγώγιμα κυκλώματα, τα άτομα ενός δεδομένου τύπου είναι όλα πανομοιότυπα, επομένως δεν χρειάζονται ειδικά συστήματα ελέγχου για την εισαγωγή και τον χειρισμό διακριτικά διαφορετικών κβαντικών καταστάσεων.

Και ενώ η καλωδίωση που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση υπεραγώγιμων qubits σε κβαντικά κυκλώματα μπορεί να γίνει φρικτά περίπλοκη - περισσότερο όσο το σύστημα κλιμακώνεται - δεν απαιτείται καλωδίωση στην περίπτωση των ατόμων. Όλη η εμπλοκή γίνεται με χρήση φωτός λέιζερ.

Αυτό το όφελος αρχικά παρουσίαζε μια πρόκληση. Υπάρχει μια καλά ανεπτυγμένη τεχνολογία για τη χάραξη περίπλοκων μικροηλεκτρονικών κυκλωμάτων και καλωδίων και ένας πιθανός λόγος που η IBM και η Google επένδυσαν αρχικά σε υπεραγώγιμα qubit δεν είναι επειδή αυτά ήταν προφανώς τα καλύτερα, αλλά επειδή απαιτούσαν το είδος των κυκλωμάτων που έχουν συνηθίσει τέτοιες εταιρείες, είπε. Στιούαρτ Άνταμς, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Durham στο Ηνωμένο Βασίλειο που εργάζεται στον κβαντικό υπολογισμό ουδέτερου ατόμου. «Τα οπτικά άτομα με βάση λέιζερ τους φαινόταν εντελώς άγνωστα. Όλη η μηχανική είναι εντελώς διαφορετική».

Τα qubit που αποτελούνται από ηλεκτρικά φορτισμένα άτομα - γνωστά ως ιόντα - μπορούν επίσης να ελεγχθούν με φως, και τα ιόντα θεωρούνταν από καιρό ως καλύτερα υποψήφια qubit από τα ουδέτερα άτομα. Λόγω του φορτίου τους, τα ιόντα παγιδεύονται σχετικά εύκολα σε ηλεκτρικά πεδία. Οι ερευνητές δημιούργησαν παγίδες ιόντων αιωρώντας τα ιόντα σε μια μικροσκοπική κοιλότητα κενού σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (για να αποφευχθεί το θερμικό τίναγμα) ενώ οι ακτίνες λέιζερ τα αλλάζουν μεταξύ διαφορετικών ενεργειακών καταστάσεων για να χειριστούν τις πληροφορίες. Οι κβαντικοί υπολογιστές με παγίδα ιόντων με δεκάδες qubits έχουν πλέον επιδειχθεί και αρκετές νεοφυείς επιχειρήσεις αναπτύσσουν την τεχνολογία για εμπορευματοποίηση. «Μέχρι στιγμής, το σύστημα με την υψηλότερη απόδοση όσον αφορά την πιστότητα, τον έλεγχο και τη συνοχή έχει παγιδευτεί ιόντα», είπε ο Saffman.

Η παγίδευση ουδέτερων ατόμων είναι πιο δύσκολη επειδή δεν υπάρχει φορτίο να κρατηθεί. Αντίθετα, τα άτομα ακινητοποιούνται μέσα σε πεδία έντονου φωτός που δημιουργούνται από ακτίνες λέιζερ, που ονομάζονται οπτικά τσιμπιδάκια. Τα άτομα συνήθως προτιμούν να κάθονται εκεί όπου το φωτεινό πεδίο είναι πιο έντονο.

Και υπάρχει ένα πρόβλημα με τα ιόντα: Όλα έχουν ηλεκτρικό φορτίο του ίδιου πρόσημου. Αυτό σημαίνει ότι τα qubits απωθούν το ένα το άλλο. Η εμπλοκή πολλών από αυτά στον ίδιο μικρό χώρο γίνεται πιο δύσκολο όσο περισσότερα ιόντα υπάρχουν. Με ουδέτερα άτομα, δεν υπάρχει τέτοια τάση. Αυτό, λένε οι ερευνητές, κάνει τα qubit ουδέτερου ατόμου πολύ πιο κλιμακωτά.

Επιπλέον, τα παγιδευμένα ιόντα είναι διατεταγμένα σε μια σειρά (ή, πρόσφατα, ένας βρόχος "ιπποδρόμιο”). Αυτή η διαμόρφωση καθιστά δύσκολη τη σύνδεση ενός qubit ιόντων με ένα άλλο που είναι, για παράδειγμα, 20 θέσεις κατά μήκος της σειράς. «Οι παγίδες ιόντων είναι εγγενώς μονοδιάστατες», είπε ο Άνταμς. «Πρέπει να τα τακτοποιήσεις σε μια γραμμή, και είναι πολύ δύσκολο να δεις πώς κερδίζεις έως και χίλια qubits με αυτόν τον τρόπο».

Οι συστοιχίες ουδέτερου ατόμου μπορεί να είναι ένα δισδιάστατο πλέγμα, το οποίο είναι πολύ πιο εύκολο να κλιμακωθεί. «Μπορείτε να βάλετε πολλά στο ίδιο σύστημα και δεν αλληλεπιδρούν όταν δεν τα θέλετε», είπε ο Saffman. Η ομάδα του και άλλοι έχουν παγιδεύσει πάνω από 1,000 ουδέτερα άτομα με αυτόν τον τρόπο. «Πιστεύουμε ότι μπορούμε να συσκευάσουμε δεκάδες ή ακόμα και εκατοντάδες χιλιάδες σε μια συσκευή κλίμακας εκατοστών», είπε.

Πράγματι, στην πρόσφατη εργασία τους, η ομάδα του Caltech δημιούργησε μια συστοιχία οπτικών λαβίδων με περίπου 6,100 ουδέτερα άτομα καισίου, αν και δεν έχουν πραγματοποιήσει ακόμη κβαντικούς υπολογισμούς με αυτά. Αυτά τα qubit είχαν επίσης χρόνους συνοχής 12.6 δευτερολέπτων, ρεκόρ μέχρι στιγμής για αυτόν τον τύπο qubit.

Ο αποκλεισμός του Rydberg

Για να μπλέξουν δύο ή περισσότερα qubits, πρέπει να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους. Τα ουδέτερα άτομα «αισθάνονται» το ένα την παρουσία του άλλου μέσω των λεγόμενων δυνάμεων van der Waals, οι οποίες προκύπτουν από τον τρόπο που ένα άτομο ανταποκρίνεται στις διακυμάνσεις στο νέφος των ηλεκτρονίων σε ένα άλλο άτομο κοντά. Αλλά αυτές οι αδύναμες δυνάμεις γίνονται αισθητές μόνο όταν τα άτομα είναι εξαιρετικά κοντά μεταξύ τους. Ο χειρισμός κανονικών ατόμων με την απαιτούμενη ακρίβεια χρησιμοποιώντας φωτεινά πεδία απλά δεν μπορεί να γίνει.

Όπως επεσήμαναν ο Lukin και οι συνεργάτες του στην αρχική τους πρόταση το 2000, η ​​απόσταση αλληλεπίδρασης μπορεί να αυξηθεί δραματικά εάν αυξήσουμε το μέγεθος των ίδιων των ατόμων. Όσο περισσότερη ενέργεια έχει ένα ηλεκτρόνιο, τόσο περισσότερο τείνει να περιπλανηθεί από τον ατομικό πυρήνα. Εάν ένα λέιζερ χρησιμοποιείται για την άντληση ενός ηλεκτρονίου σε μια ενεργειακή κατάσταση πολύ μεγαλύτερη από αυτή που συνήθως βρίσκεται στα άτομα - που ονομάζεται κατάσταση Rydberg από τον Σουηδό φυσικό Johannes Rydberg, ο οποίος στη δεκαετία του 1880 μελέτησε τον τρόπο με τον οποίο τα άτομα εκπέμπουν φως σε διακριτά μήκη κύματος - το ηλεκτρόνιο μπορεί να περιπλανηθεί χιλιάδες φορές πιο μακριά από τον πυρήνα από ό,τι συνήθως.

Αυτή η ώθηση στο μέγεθος επιτρέπει σε δύο άτομα που βρίσκονται σε απόσταση πολλών μικρομέτρων μεταξύ τους - απόλυτα εφικτό σε οπτικές παγίδες - να αλληλεπιδρούν.

Για να εφαρμόσουν έναν κβαντικό αλγόριθμο, οι ερευνητές κωδικοποιούν πρώτα τις κβαντικές πληροφορίες σε ένα ζεύγος επιπέδων ατομικής ενέργειας, χρησιμοποιώντας λέιζερ για την εναλλαγή ηλεκτρονίων μεταξύ των επιπέδων. Στη συνέχεια εμπλέκουν τις καταστάσεις των ατόμων ενεργοποιώντας τις αλληλεπιδράσεις Rydberg μεταξύ τους. Ένα δεδομένο άτομο μπορεί να διεγερθεί σε μια κατάσταση Rydberg ή όχι, ανάλογα με το σε ποιο από τα δύο ενεργειακά επίπεδα βρίσκεται το ηλεκτρόνιό του — μόνο ένα από αυτά βρίσκεται στη σωστή ενέργεια για να συντονιστεί με τη συχνότητα του λέιζερ διέγερσης. Και αν το άτομο αλληλεπιδρά αυτήν τη στιγμή με ένα άλλο, αυτή η συχνότητα διέγερσης μετατοπίζεται ελαφρώς, έτσι ώστε το ηλεκτρόνιο να μην συντονίζεται με το φως και να μην μπορεί να κάνει το άλμα. Αυτό σημαίνει ότι μόνο το ένα ή το άλλο από ένα ζευγάρι αλληλεπιδρώντων ατόμων μπορεί να διατηρήσει μια κατάσταση Rydberg ανά πάσα στιγμή. Οι κβαντικές τους καταστάσεις συσχετίζονται — ή με άλλα λόγια, μπλεγμένες. Αυτός ο λεγόμενος αποκλεισμός του Rydberg, πρώτα προτείνεται από τον Lukin και τους συνεργάτες του το 2001 ως ένας τρόπος εμπλοκής των qubits του ατόμου Rydberg, είναι ένα φαινόμενο όλα ή τίποτα: Ή υπάρχει αποκλεισμός του Rydberg ή δεν υπάρχει. «Ο αποκλεισμός του Rydberg κάνει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων ψηφιακές», είπε ο Lukin.

Στο τέλος του υπολογισμού, τα λέιζερ διαβάζουν τις καταστάσεις των ατόμων: Εάν ένα άτομο βρίσκεται σε κατάσταση συντονισμού με τον φωτισμό, το φως διασκορπίζεται, αλλά αν είναι στην άλλη κατάσταση, δεν υπάρχει σκέδαση.

Το 2004, μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Κονέκτικατ κατέδειξε ένας αποκλεισμός του Rydberg μεταξύ ατόμων ρουβιδίου, που παγιδεύτηκε και ψύχθηκε σε μόλις 100 μικροκελβίνες πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ψύξανε τα άτομα χρησιμοποιώντας λέιζερ για να «απορροφήσουν» τη θερμική ενέργεια των ατόμων. Η προσέγγιση σημαίνει ότι, σε αντίθεση με τα υπεραγώγιμα qubits, τα ουδέτερα άτομα δεν απαιτούν κρυογονική ψύξη και δεν απαιτούν δυσκίνητα ψυκτικά μέσα. Αυτά τα συστήματα μπορούν επομένως να γίνουν πολύ συμπαγή. «Η συσκευή στο σύνολό της είναι σε θερμοκρασία δωματίου», είπε ο Saffman. "Ένα εκατοστό μακριά από αυτά τα εξαιρετικά ψυχρά άτομα, έχετε ένα παράθυρο σε θερμοκρασία δωματίου."

Το 2010 ο Saffman και οι συνεργάτες του αναφερθεί η πρώτη λογική πύλη - ένα θεμελιώδες στοιχείο των υπολογιστών, στον οποίο ένα ή περισσότερα δυαδικά σήματα εισόδου παράγουν μια συγκεκριμένη δυαδική έξοδο - κατασκευασμένη από δύο άτομα χρησιμοποιώντας τον αποκλεισμό Rydberg. Στη συνέχεια, το 2016, το XNUMX, η ομάδα του Lukin και οι ερευνητικές ομάδες στη Γαλλία και στη Νότια Κορέα ανεξάρτητα κατάλαβα πώς να φορτώνουν πολλά ουδέτερα άτομα σε συστοιχίες οπτικών παγίδων και μετακινήστε τις κατά βούληση. «Αυτή η καινοτομία έφερε νέα ζωή στον τομέα», είπε Στέφαν Ντυρ του Ινστιτούτου Κβαντικής Οπτικής Max Planck στο Garching της Γερμανίας, ο οποίος χρησιμοποιεί τα άτομα Rydberg για πειράματα στην επεξεργασία κβαντικής πληροφορίας με βάση το φως.

Μεγάλο μέρος της εργασίας μέχρι στιγμής χρησιμοποιεί άτομα ρουβιδίου και καισίου, αλλά ο φυσικός Jeff Thompson στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον προτιμά την κωδικοποίηση των πληροφοριών στις καταστάσεις πυρηνικού σπιν ατόμων μετάλλων όπως το στρόντιο και το υττέρβιο, τα οποία έχουν ακόμη μεγαλύτερους χρόνους συνοχής. Τον περασμένο Οκτώβριο, ο Thompson και οι συνεργάτες του αναφερθεί λογικές πύλες δύο qubit κατασκευασμένες από αυτά τα συστήματα.

Και οι αποκλεισμοί του Rydberg δεν χρειάζεται να είναι μεταξύ μοναχικών ατόμων. Το περασμένο καλοκαίρι, ο Άνταμς και οι συνεργάτες του έδειξε ότι θα μπορούσαν να δημιουργήσουν έναν αποκλεισμό Rydberg μεταξύ ενός ατόμου και ενός παγιδευμένου μορίου, το οποίο έφτιαξαν τεχνητά χρησιμοποιώντας οπτικές λαβίδες για να τραβήξουν ένα άτομο καισίου δίπλα σε ένα άτομο ρουβιδίου. Το πλεονέκτημα των υβριδικών συστημάτων ατόμου-μορίου είναι ότι τα άτομα και τα μόρια έχουν πολύ διαφορετικές ενέργειες, οι οποίες θα μπορούσαν να διευκολύνουν τον χειρισμό ενός χωρίς να επηρεάζονται άλλα. Επιπλέον, τα μοριακά qubits μπορεί να έχουν πολύ μεγάλους χρόνους συνοχής. Ο Adams τονίζει ότι τέτοια υβριδικά συστήματα είναι τουλάχιστον 10 χρόνια πίσω από τα συστήματα όλων των ατόμων και η εμπλοκή δύο τέτοιων qubit δεν έχει ακόμη επιτευχθεί. «Τα υβριδικά συστήματα είναι πραγματικά δύσκολα», είπε ο Thompson, «αλλά πιθανότατα θα αναγκαστούμε να τα κάνουμε κάποια στιγμή».

Qubits υψηλής πιστότητας

Κανένα qubit δεν είναι τέλειο: Όλα μπορούν να υποστούν σφάλματα. Και αν αυτά δεν ανιχνευθούν και δεν διορθωθούν, ανακατεύουμε το αποτέλεσμα του υπολογισμού.

Αλλά ένα μεγάλο εμπόδιο σε όλους τους κβαντικούς υπολογιστές είναι ότι τα σφάλματα δεν μπορούν να εντοπιστούν και να διορθωθούν με τον τρόπο που είναι για τους κλασικούς υπολογιστές, όπου ένας αλγόριθμος απλώς παρακολουθεί την κατάσταση στην οποία βρίσκονται τα bit κάνοντας αντίγραφα. Το κλειδί για τον κβαντικό υπολογισμό είναι ότι οι καταστάσεις των qubits παραμένουν απροσδιόριστες μέχρι να διαβαστεί το τελικό αποτέλεσμα. Εάν προσπαθήσετε να μετρήσετε αυτές τις καταστάσεις πριν από αυτό το σημείο, τερματίζετε τον υπολογισμό. Πώς, λοιπόν, μπορούν να προστατευτούν τα qubits από σφάλματα που δεν μπορούμε καν να παρακολουθήσουμε;

Μια απάντηση είναι η διάδοση πληροφοριών σε πολλά φυσικά qubit - που αποτελούν ένα μόνο "λογικό qubit" - έτσι ώστε ένα σφάλμα σε ένα από αυτά να μην αλλοιώσει τις πληροφορίες που κωδικοποιούν συλλογικά. Αυτό γίνεται πρακτικό μόνο εάν ο αριθμός των φυσικών qubits που απαιτούνται για κάθε λογικό qubit δεν είναι πολύ μεγάλος. Αυτό το γενικό κόστος εξαρτάται εν μέρει από τον αλγόριθμο διόρθωσης σφαλμάτων που χρησιμοποιείται.

Λογικά qubits με διορθωμένα σφάλματα έχουν αποδειχθεί με υπεραγώγιμα και παγιδευμένα ιόντα qubit, αλλά μέχρι πρόσφατα δεν ήταν σαφές εάν μπορούν να κατασκευαστούν από ουδέτερα άτομα. Αυτό άλλαξε τον Δεκέμβριο, όταν η ομάδα του Χάρβαρντ αποκάλυψε συστοιχίες πολλών εκατοντάδων παγιδευμένων ατόμων ρουβιδίου και έτρεξε αλγόριθμους σε 48 λογικά qubits, το καθένα κατασκευασμένο από επτά ή οκτώ φυσικά άτομα. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το σύστημα για να πραγματοποιήσουν μια απλή λογική λειτουργία που ονομάζεται ελεγχόμενη πύλη NOT, στην οποία οι καταστάσεις 1 και 0 ενός qubit αναστρέφονται ή αφήνονται αμετάβλητες ανάλογα με την κατάσταση ενός δεύτερου qubit «ελέγχου». Για τη διεξαγωγή των υπολογισμών, οι ερευνητές μετακίνησαν τα άτομα μεταξύ τριών διακριτών περιοχών στον θάλαμο παγίδευσης: μια σειρά ατόμων, μια περιοχή αλληλεπίδρασης (ή «ζώνη πύλης») όπου συγκεκριμένα άτομα σύρθηκαν και μπλέχτηκαν χρησιμοποιώντας τον αποκλεισμό Rydberg και μια ζώνη ανάγνωσης. . Όλα έγιναν δυνατά, είπε ο Adams, επειδή «το σύστημα Rydberg σας προσφέρει όλη αυτή τη δυνατότητα να ανακατεύετε qubits και να αποφασίζετε ποιος αλληλεπιδρά με ποιον, κάτι που σας δίνει μια ευελιξία που δεν έχουν τα υπεραγώγιμα qubits».

Η ομάδα του Χάρβαρντ επέδειξε τεχνικές διόρθωσης σφαλμάτων για μερικούς απλούς αλγόριθμους λογικού qubit, αν και για τους μεγαλύτερους, με 48 λογικά qubit, πέτυχαν απλώς την ανίχνευση σφαλμάτων. Σύμφωνα με τον Thompson, αυτά τα τελευταία πειράματα έδειξαν ότι «μπορούν κατά προτίμηση να απορρίψουν τα αποτελέσματα των μετρήσεων με σφάλματα και επομένως να προσδιορίσουν ένα υποσύνολο αποτελεσμάτων με χαμηλότερα σφάλματα». Αυτή η προσέγγιση ονομάζεται μετα-επιλογή και ενώ μπορεί να παίξει ρόλο στην κβαντική διόρθωση σφαλμάτων, δεν λύνει από μόνη της το πρόβλημα.

Τα άτομα Rydberg μπορεί να προσφέρονται σε νέους κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων. Αυτός που χρησιμοποιήθηκε στην εργασία του Χάρβαρντ, που ονομάζεται επιφανειακός κώδικας, «είναι πολύ δημοφιλής αλλά και πολύ αναποτελεσματικός», είπε ο Saffman. τείνει να απαιτεί πολλά φυσικά qubit για να φτιάξει ένα λογικό qubit. Άλλοι, πιο αποτελεσματικοί προτεινόμενοι κωδικοί διόρθωσης σφαλμάτων απαιτούν αλληλεπιδράσεις μεγαλύτερης εμβέλειας μεταξύ qubits, όχι μόνο ζεύγη πλησιέστερου γείτονα. Οι επαγγελματίες του κβαντικού υπολογισμού ουδέτερου ατόμου πιστεύουν ότι οι αλληλεπιδράσεις Rydberg μεγάλης εμβέλειας θα πρέπει να είναι στο ύψος τους. «Είμαι εξαιρετικά αισιόδοξος ότι τα πειράματα τα επόμενα δύο με τρία χρόνια θα μας δείξουν ότι τα γενικά έξοδα δεν χρειάζεται να είναι τόσο άσχημα όσο πίστευαν οι άνθρωποι», είπε ο Λούκιν.

Αν και υπάρχουν ακόμη περισσότερα που πρέπει να γίνουν, ο Steane θεωρεί ότι το έργο του Χάρβαρντ «μια αλλαγή σταδίου στον βαθμό στον οποίο τα πρωτόκολλα διόρθωσης σφαλμάτων έχουν υλοποιηθεί στο εργαστήριο».

Περιστροφή

Προόδους όπως αυτές έχουν τα qubits Rydberg-atom να σχεδιάζουν ακόμη και με τους ανταγωνιστές τους. «Ο συνδυασμός πυλών υψηλής πιστότητας, μεγάλου αριθμού qubits, μετρήσεων υψηλής ακρίβειας και ευέλικτης συνδεσιμότητας μας επιτρέπει να θεωρήσουμε τη συστοιχία ατόμου Rydberg ως πραγματικό ανταγωνιστή των qubit υπεραγώγιμων και παγιδευμένων ιόντων», είπε ο Steane.

Σε σύγκριση με τα υπεραγώγιμα qubits, η τεχνολογία έχει ένα κλάσμα του κόστους επένδυσης. Ο όμιλος του Χάρβαρντ έχει μια εταιρεία spinoff που ονομάζεται QuEra, η οποία έχει ήδη καλέσει έναν κβαντικό επεξεργαστή Rydberg 256 qubit Αετός — ένας αναλογικός «κβαντικός προσομοιωτής», ο οποίος μπορεί να εκτελέσει προσομοιώσεις του συστήματα πολλών κβαντικών σωματιδίων — διαθέσιμο στο cloud σε συνεργασία με την πλατφόρμα κβαντικών υπολογιστών Braket της Amazon. Η QuEra εργάζεται επίσης για την προώθηση της κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων.

Ο Saffman εντάχθηκε σε μια εταιρεία που ονομάζεται Infleqtion, η οποία αναπτύσσει την οπτική πλατφόρμα ουδέτερου ατόμου για κβαντικούς αισθητήρες και επικοινωνίες καθώς και κβαντικούς υπολογιστές. «Δεν θα εκπλαγώ αν μια από τις μεγάλες εταιρείες πληροφορικής συνάψει κάποιο είδος συνεργασίας με μια από αυτές τις spinoffs σύντομα», είπε ο Adams.

«Η κλιμάκωση της διόρθωσης σφαλμάτων με qubit ουδέτερου ατόμου είναι σίγουρα δυνατή», είπε ο Thompson. «Νομίζω ότι 10,000 qubit ουδέτερου ατόμου είναι σαφώς δυνατά μέσα σε λίγα χρόνια». Πέρα από αυτό, πιστεύει ότι θα απαιτηθούν πρακτικοί περιορισμοί στην ισχύ και την ανάλυση λέιζερ αρθρωτά σχέδια στην οποία πολλές διακριτές συστοιχίες ατόμων συνδέονται μεταξύ τους.

Αν συμβεί αυτό, ποιος ξέρει τι θα βγει από αυτό; «Δεν ξέρουμε ακόμη τι μπορούμε να κάνουμε με τους κβαντικούς υπολογιστές», είπε ο Lukin. «Ελπίζω πραγματικά ότι αυτές οι νέες εξελίξεις θα μας βοηθήσουν να απαντήσουμε σε αυτές τις ερωτήσεις».