Fizycy z Columbia University postawili sobie ambitny cel, który jeszcze niedawno wydawał się science fiction – zbudowanie platformy dla ponad stu tysięcy kubitów. Ich najnowsze badania sugerują, że rozwiązanie może tkwić w połączeniu dwóch zaawansowanych technologii: macierzy neutralnych atomów i płaskich urządzeń optycznych zwanych metapowierzchniami.
Dlaczego atomy są naturalnymi kubitami
Atomy, dzięki swej identycznej budowie i wrodzonym właściwościom kwantowym, takim jak superpozycja czy splątanie, wydają się idealnymi kandydatami na kubity. Natura zapewnia ich jednorodność, oszczędzając naukowcom żmudnego procesu charakteryzowania i synchronizacji każdej jednostki. Prawdziwym wyzwaniem od lat pozostaje opracowanie metody, która pozwoliłaby manipulować ogromną liczbą atomów jednocześnie. Przez dekadę podstawowym narzędziem były tzw. pęsety optyczne, czyli silnie skupione wiązki laserowe przytrzymujące pojedyncze atomy. Generowanie tysięcy takich wiązek wymagało jednak skomplikowanych i kosztownych urządzeń, jak modulatory przestrzenne światła czy deflektory akustooptyczne, które w istotny sposób ograniczały ostateczną skalę całego systemu.
Czytaj także: Odkrycie, które zmieni komputery kwantowe. Klastry złota osiągnęły 40% polaryzacji spinowej
Metapowierzchnie jako klucz do skalowania
Przełomowe podejście zespołu z Columbia opiera się na zastosowaniu metapowierzchni. Są to ultracienkie, płaskie struktury pokryte dwuwymiarową macierzą nanometrycznych „pikseli”, każdy mniejszy niż 200 nanometrów. Potrafią one bezpośrednio kształtować padającą na nie wiązkę lasera, generując od razu całą macierz punktów ogniskowych, czyli pęset optycznych, bez potrzeby stosowania dodatkowej, nieporęcznej optyki. Nanfang Yu porównuje te struktury do superpozycji dziesiątek tysięcy mikroskopijnych soczewek na jednej płaszczyźnie. Co kluczowe, metapowierzchnie wykonane z azotku krzemu i dwutlenku tytanu są niezwykle odporne. Wytrzymują natężenie lasera przekraczające 2000 watów na milimetr kwadratowy, co jest około milion razy większą wartością niż intensywność światła słonecznego docierającego do Ziemi.
Artystyczne wzory i imponująca skala
Wszechstronność nowej platformy zademonstrowali doktoranci Aaron Holman i Yuan Xu. W swoich eksperymentach zespół skutecznie uwięził tysiąc atomów strontu, układając je nie tylko w regularną, kwadratową siatkę, ale także w bardziej złożone formy, jak wzory kwazikrystaliczne czy miniaturę Statuy Wolności złożoną z setek atomów. Pokazali również możliwość tworzenia precyzyjnych struktur, takich jak okrąg z atomami oddalonymi od siebie o mniej niż półtora mikrona. Prawdziwie imponujący jest jednak potencjał skalowania. Metapowierzchnia o średnicy zaledwie 3,5 milimetra, zawierająca 114 milionów pikseli, jest w stanie wygenerować macierz 600 na 600 punktów, co daje łącznie 360 tysięcy potencjalnych pęset optycznych. To dwa rzędy wielkości więcej niż oferują obecne technologie.
Czytaj także: Święty Graal komputerów kwantowych został odnaleziony. Naukowcy pokonali problem, który blokował rozwój od dekad
Realistyczne perspektywy dalszego rozwoju
Naukowcy widzą jasną, choć wymagającą, ścieżkę do celu stu tysięcy jednocześnie uwięzionych atomów. Konieczne będzie wykorzystanie znacznie potężniejszych laserów, ale takie rozwiązania mieszczą się w granicach obecnych możliwości technicznych. Trzeba przyznać, że sama liczba kubitów to nie wszystko – równie ważne będzie utrzymanie ich koherencji i minimalizacja błędów operacyjnych. Mimo tych wyzwań, przedstawiona platforma może znaleźć zastosowanie nie tylko w komputerach kwantowych, ale również w precyzyjnych symulatorach kwantowych czy nowej generacji optycznych zegarach atomowych. Praca zespołu z Columbia University stanowi solidny fundament pod przyszłe maszyny kwantowe. Pokazuje, że kontrola nad setkami tysięcy indywidualnych atomów powoli przestaje być marzeniem, a staje się konkretnym, acz skomplikowanym, celem inżynieryjnym.
