Квантовый скачок: параллельные операции с нейтральными атомами в одной оптической полости

от

Автор: Денис Аветисян

Новый подход к организации квантовых вычислений позволяет значительно ускорить и масштабировать работу с массивами нейтральных атомов.

🚀 Квантовые новости

Подключайся к потоку квантовых мемов, теорий и откровений из параллельной вселенной.
Только сингулярные инсайты — никакой скуки.

Присоединиться к каналу
Исследование демонстрирует конфигурацию резонаторов и атомных массивов, где до 6400 атомов, соединенных с модами резонатора $HG_{n,0}$, используются для считывания состояния кубитов; достигнутая кооперативность, нормализованная к пиковому значению $η_0$ для моды $HG_{0,0}$, достигает 25 для 25 равноотстоящих мод, охватывающих свободный спектральный диапазон (FSR), при этом столбцы атомов располагаются в максимумах интенсивности мод $HG_{n,0}$ с нечетными и четными значениями $n$, определяющими направление вдоль оси x, и разделены по частоте на два регистра, связанных с двумя продольными модами резонатора с одинаковым поперечным профилем.
Исследование демонстрирует конфигурацию резонаторов и атомных массивов, где до 6400 атомов, соединенных с модами резонатора $HG_{n,0}$, используются для считывания состояния кубитов; достигнутая кооперативность, нормализованная к пиковому значению $η_0$ для моды $HG_{0,0}$, достигает 25 для 25 равноотстоящих мод, охватывающих свободный спектральный диапазон (FSR), при этом столбцы атомов располагаются в максимумах интенсивности мод $HG_{n,0}$ с нечетными и четными значениями $n$, определяющими направление вдоль оси x, и разделены по частоте на два регистра, связанных с двумя продольными модами резонатора с одинаковым поперечным профилем.

Исследователи продемонстрировали метод мультиплексирования мод оптической полости для одновременного управления множеством кубитов.

Масштабирование нейтральных атомных массивов для квантовых вычислений сталкивается с ограничениями в эффективном сборе фотонов, что замедляет ключевые операции. В работе «Mode multiplexing for scalable cavity-enhanced operations in neutral-atom arrays» предложен новый подход, использующий мультиплексирование мод оптического резонатора для параллельной обработки информации в массиве атомов. Данный метод позволяет значительно увеличить скорость операций и масштабируемость квантовых вычислений за счет одновременной обработки нескольких атомов в разных модах резонатора. Позволит ли эта технология преодолеть текущие ограничения и приблизить создание практических квантовых устройств?

Синергия Света и Материи: Основа Квантовых Технологий

Для создания надежных квантовых компьютеров необходимы сильные и контролируемые взаимодействия между атомами и фотонами. Именно эти взаимодействия позволяют манипулировать квантовыми состояниями и выполнять сложные вычисления. Эффективное управление этими процессами требует не просто наличия взаимодействия, но и возможности точно настраивать его параметры, обеспечивая высокую точность и надежность операций. Ученые стремятся создать системы, в которых взаимодействие между атомами и фотонами превосходит потери энергии и декогеренцию, что является ключевым шагом к реализации масштабируемых квантовых вычислений. Сильные взаимодействия позволяют использовать даже одиночные фотоны для управления состоянием отдельных атомов, открывая путь к созданию квантовых сенсоров и коммуникационных систем нового поколения.

Сила взаимодействия между атомами и фотонами количественно оценивается параметром, известным как кооперативность ($\eta$), играющим ключевую роль в эффективном сопряжении света и материи. Данный параметр определяет, насколько эффективно фотоны могут влиять на состояние атомов и наоборот. В рамках проведенных исследований, удалось достичь среднего значения кооперативности, равного 7, для всей исследуемой структуры. Это значительное достижение, поскольку более высокие значения кооперативности напрямую коррелируют с более сильным и контролируемым взаимодействием, что является фундаментальным требованием для создания эффективных квантовых устройств и технологий, где точное управление состоянием атомов посредством света имеет первостепенное значение.

Оптические резонаторы выступают в роли ключевого элемента, обеспечивающего усиление взаимодействия между атомами и фотонами. Эти структуры, по сути, являются «ловушками» для фотонов, многократно отражающими свет внутри своего объема. Такое многократное прохождение фотонов через область, где находятся атомы, значительно увеличивает вероятность их взаимодействия. Благодаря этому, даже слабое индивидуальное взаимодействие между отдельным фотоном и атомом становится существенным при усреднении по множеству фотонов, находящихся в резонаторе. Интенсивность света внутри резонатора может быть значительно увеличена, что позволяет эффективно управлять состоянием атомов посредством света и использовать это взаимодействие для создания и манипулирования квантовыми состояниями, необходимыми для передовых квантовых технологий. В результате, оптические резонаторы становятся неотъемлемой частью архитектуры современных квантовых устройств.

Удалённое создание запутанных состояний между атомами достигается за счёт использования радиальных мод Лагерра в оптической полости, позволяющих эффективно связывать до 255 атомов, организованных в регистры, и сохранять высокую кооперативность даже при повышении температуры.
Удалённое создание запутанных состояний между атомами достигается за счёт использования радиальных мод Лагерра в оптической полости, позволяющих эффективно связывать до 255 атомов, организованных в регистры, и сохранять высокую кооперативность даже при повышении температуры.

Множественные Пути Света: Расширение Вычислительного Пространства

Мультиплексирование мод позволяет связывать атомы с несколькими модами внутри единой оптической резонаторной полости, создавая параллельные каналы для выполнения квантовых операций. Вместо использования единственной основной моды резонатора, атомы взаимодействуют с несколькими пространственными модами электромагнитного поля, что эффективно увеличивает количество квантовых битов, которые могут быть одновременно управляемы и запутаны. Это достигается путем возбуждения и контроля различных мод резонатора, таких как $TEM_{mn}$, что позволяет кодировать и обрабатывать квантовую информацию в более высоких размерностях. Такой подход потенциально увеличивает вычислительную мощность квантовых устройств за счет параллелизации операций и повышения пропускной способности обработки информации.

Для увеличения размерности квантовой системы в режиме мультиплексирования мод используются высшие моды оптических резонаторов, такие как моды Эрмита-Гаусса (HG-моды) и моды Лагерра-Гаусса (LG-моды). В отличие от основной моды $TEM_{00}$, эти моды характеризуются более сложными пространственными распределениями поля и наличием углового момента. Использование HG-мод позволяет создавать несколько независимых путей для взаимодействия атомов, каждый из которых соответствует определенному пространственному распределению поля. LG-моды, обладая орбитальным угловым моментом, добавляют дополнительную степень свободы для кодирования и обработки квантовой информации, что позволяет реализовывать более сложные квантовые схемы и повышать пропускную способность квантовых вычислений.

Манипулирование высшими модами в оптических резонаторах может приводить к эффекту светового сдвига (Light Shift), заключающемуся в изменении энергетических уровней атомов. Данное явление возникает из-за зависимости энергии атома от интенсивности света, взаимодействующего с ним в различных модах. Световой сдвиг может приводить к неточностям в квантовых операциях и требует тщательной компенсации, обычно достигаемой за счет применения методов контроля интенсивности света или использования специальных схем управления. Величина светового сдвига пропорциональна интенсивности света и зависит от конкретной моды, что требует точного расчета и калибровки для поддержания стабильности и точности квантовых вычислений. Влияние светового сдвига необходимо учитывать при проектировании и реализации квантовых схем, использующих мультиплексирование мод.

В схеме атомного регистра с микрорезонатором (CMM) частота перехода между основным и возбужденным состояниями каждого атома настраивается с помощью управляющих лазеров, чтобы соответствовать различным резонансам микрорезонатора, что позволяет избирательно возбуждать атомы и разделять излучаемые фотоны для последующего детектирования.
В схеме атомного регистра с микрорезонатором (CMM) частота перехода между основным и возбужденным состояниями каждого атома настраивается с помощью управляющих лазеров, чтобы соответствовать различным резонансам микрорезонатора, что позволяет избирательно возбуждать атомы и разделять излучаемые фотоны для последующего детектирования.

Защита Квантовой Информации: Стратегии Коррекции Ошибок

Квантовая информация, в отличие от классической, чрезвычайно чувствительна к воздействию окружающей среды, что приводит к декогеренции и ошибкам в вычислениях. Эти ошибки возникают из-за взаимодействия кубитов с шумом, электромагнитными полями и другими источниками возмущений. Вследствие этого, надежное хранение и обработка квантовой информации требует применения методов квантовой коррекции ошибок (ККО). ККО позволяет обнаруживать и исправлять ошибки, не разрушая квантовое состояние, что критически важно для реализации масштабируемых и надежных квантовых вычислений. Без ККО, даже небольшое количество ошибок быстро сделает результаты вычислений бесполезными, особенно в сложных алгоритмах, требующих большого количества квантовых операций.

Извлечение синдрома является ключевым процессом в квантовой коррекции ошибок (ККО), позволяющим обнаруживать и исправлять ошибки без разрушения квантового состояния. В системах с тысячами кубитов, данный метод обеспечивает сокращение времени извлечения синдрома на два порядка величины по сравнению с методами свободной пространственной отчитки. Это достигается за счет использования специфических схем измерений, которые позволяют идентифицировать типы ошибок, не определяя напрямую состояние кубитов. Эффективность извлечения синдрома критически важна для масштабирования квантовых вычислений, поскольку позволяет поддерживать когерентность квантовой информации на протяжении длительных вычислений, несмотря на неизбежные ошибки.

Массивы нейтральных атомов представляют собой перспективную платформу для создания отказоустойчивых квантовых компьютеров, особенно в сочетании со схемами квантовой коррекции ошибок (QEC). Использование нейтральных атомов позволяет создавать масштабируемые системы с высокой когерентностью и управляемостью. Архитектура массивов обеспечивает естественное отображение на коды QEC, такие как поверхностный код, что упрощает реализацию логических операций и коррекции ошибок. Данный подход демонстрирует потенциал для создания квантовых процессоров, способных эффективно справляться с декогеренцией и ошибками, возникающими в процессе вычислений, что является ключевым требованием для практического применения квантовых технологий.

Поверхностный код ($Surface Code$) представляет собой один из наиболее перспективных подходов к квантовой коррекции ошибок (ККО). Он использует двухмерную решетку кубитов, где информация кодируется не в отдельных кубитах, а в коллективном состоянии решетки. Ошибки обнаруживаются и исправляются посредством измерений паритета между соседними кубитами, не нарушая квантовое состояние кодированной информации. Простота топологической защиты и относительно низкие требования к связности кубитов делают поверхностный код особенно привлекательным для реализации в различных квантовых платформах, включая сверхпроводящие схемы, ионные ловушки и нейтральные атомы, обеспечивая основу для надежных квантовых вычислений.

К Масштабируемым Квантовым Вычислениям: Модульные Архитектуры

Модульный подход к квантовым вычислениям представляет собой перспективный путь к преодолению ограничений масштабируемости, с которыми сталкиваются традиционные архитектуры. Вместо создания одного огромного и сложного квантового процессора, данная стратегия предполагает объединение нескольких, относительно небольших квантовых модулей в единую вычислительную систему. Каждый модуль функционирует как самостоятельный квантовый процессор, а связь между ними осуществляется посредством распределения квантовой запутанности. Такой подход позволяет значительно упростить производство и управление отдельными модулями, а также обеспечивает возможность постепенного увеличения вычислительной мощности за счет добавления новых модулей. Преимущество модульной архитектуры заключается и в повышении отказоустойчивости — выход из строя одного модуля не приводит к полной остановке системы, а лишь к незначительному снижению производительности. Подобно строительству из блоков, эта стратегия открывает возможности для создания квантовых компьютеров, способных решать задачи, недоступные современным классическим вычислительным системам.

Распределенное квантовое вычисление становится возможным благодаря удаленному распределению запутанности между отдельными квантовыми модулями. В предложенной архитектуре удалось достичь скорости генерации запутанных пар в 4 МГц, что является значительным шагом к созданию масштабируемых квантовых компьютеров. Этот процесс позволяет эффективно связывать небольшие квантовые процессоры, преодолевая ограничения, связанные с физическими размерами и когерентностью отдельных кубитов. Высокая скорость распределения запутанности критически важна для выполнения сложных квантовых алгоритмов, требующих обмена информацией между удаленными модулями, и открывает перспективы для создания квантовых сетей и распределенных вычислений.

Для обеспечения взаимодействия и синхронизации операций между отдельными квантовыми модулями предлагается использование телепортированного $CNOT$-вентиля. Этот подход позволяет реализовать квантовые операции между кубитами, находящимися в разных модулях, без физической передачи самих кубитов. В основе лежит передача квантовой запутанности и классической информации, что позволяет воссоздать целевую операцию на удаленном кубите. Такой метод не только обходит ограничения, связанные с физической связностью кубитов, но и открывает возможности для создания сложных квантовых схем, распределенных между несколькими модулями, что является ключевым шагом на пути к масштабируемым квантовым вычислениям. Эффективная реализация телепортированного $CNOT$-вентиля позволяет существенно снизить задержки и повысить надежность квантовых вычислений в модульных архитектурах.

Оптимизация распределения запутанности на значительных расстояниях требует тщательного учета длины Рэлея — параметра, определяющего расстояние, на котором луч света сохраняет свои коллимированные свойства. В рамках предложенной модульной архитектуры квантовых вычислений, данное исследование демонстрирует, что точная настройка параметров оптической системы позволяет достичь эффективного распределения запутанности между модулями. В частности, для реализации кода коррекции ошибок на поверхности (Surface Code) с размером 20 кубитов, потенциальное время цикла вычислений составляет всего 70 µs. Это свидетельствует о перспективности данного подхода для построения масштабируемых квантовых компьютеров, способных решать сложные вычислительные задачи, требующие взаимодействия между удаленными квантовыми модулями, и открывает возможности для дальнейшего увеличения масштаба системы при сохранении высокой скорости вычислений.

Предложенный подход к мультиплексированию мод полости, позволяющий проводить параллельные квантовые операции с массивами нейтральных атомов, напоминает принцип роста сложной экосистемы. Как и в саду, где разнообразие видов обеспечивает устойчивость, использование нескольких мод одной полости повышает эффективность и масштабируемость квантовых вычислений. Макс Планк однажды сказал: «Научные истины не открываются, они приходят». Это особенно верно для данной работы, где новое понимание взаимодействия света и материи открывает путь к более совершенным квантовым технологиям. Вместо того, чтобы строить сложную систему из множества компонентов, исследователи вырастили возможность параллельной обработки информации, используя естественные свойства света и атомов. Устойчивость системы не в изоляции её элементов, а в способности использовать синергию между ними — как в природе, так и в квантовых вычислениях.

Что дальше?

Предложенное в данной работе умножение мод в оптических резонаторах, безусловно, расширяет возможности для масштабирования массивов нейтральных атомов. Однако, стоит помнить: каждая добавленная степень свободы — это потенциальная точка отказа, каждое усложнение архитектуры — пророчество о будущей непредсказуемости. Долгосрочная стабильность, кажущаяся столь желанной, может оказаться лишь затишьем перед бурей, скрывающим системные ошибки, которые проявятся в самый неподходящий момент.

Очевидно, что истинный вызов заключается не в увеличении количества атомов или режимов, а в разработке методов, позволяющих системе самоорганизовываться и адаптироваться к неизбежным отклонениям. Эффективная экстракция синдрома, упоминаемая в статье, — лишь первый шаг. Необходимо научиться не просто обнаруживать ошибки, но и предсказывать их, формируя устойчивые к сбоям топологии взаимодействий.

Система не ломается — она эволюционирует в неожиданные формы. Будущие исследования, вероятно, будут направлены на изучение нелинейных эффектов, квантовых коррекций ошибок, и, что самое главное, на отказ от централизованного управления в пользу распределенных алгоритмов, способных к самовосстановлению и адаптации. Необходимо переосмыслить сам подход к построению квантовых систем, отказавшись от иллюзии полного контроля и признав их фундаментальную неопределенность.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.20858.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-11-29 12:34