Нейтральные атомы: новый шаг к созданию надежных кубитов

от

Автор: Денис Аветисян

Исследователи продемонстрировали эффективный способ реализации высокоточных операций iSWAP для кубитов на основе нейтральных атомов, что открывает перспективы для масштабируемых квантовых вычислений.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал
Оптимизированная схема управления позволяет реализовать высокоточные iSWAP-вентили на основе ридберговских атомов, используя методы оптимального управления для формирования импульсов сглаженной формы, устойчивых к шумам, возникающим из-за движения атомов в ловушках, распада ридберговских состояний и флуктуаций лазерного излучения, что обеспечивает надежность в экспериментальных условиях.
Оптимизированная схема управления позволяет реализовать высокоточные iSWAP-вентили на основе ридберговских атомов, используя методы оптимального управления для формирования импульсов сглаженной формы, устойчивых к шумам, возникающим из-за движения атомов в ловушках, распада ридберговских состояний и флуктуаций лазерного излучения, что обеспечивает надежность в экспериментальных условиях.

Оптимизация протоколов управления и учет шумов позволяют создавать надежные iSWAP и обменные гейты посредством дипольного взаимодействия атомов Ридберга.

Несмотря на значительный прогресс в области квантовых вычислений, расширение набора управляющих операций для нейтральных атомов остается сложной задачей. В работе «Expanding the Neutral Atom Gate Set: Native iSWAP and Exchange Gates from Dipolar Rydberg Interactions» представлен новый подход к реализации высокоточных iSWAP и обменных операций, основанный на использовании дипольных взаимодействий между ридберговскими состояниями. Авторы демонстрируют возможность создания протоколов управления с высокой точностью и устойчивостью к шумам, включая движение атомов и нестабильности лазера, достигая fidelities выше 99.9% для архитектуры на основе $^{88}$Sr. Открывает ли это путь к созданию более универсальных и устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров на нейтральных атомах?

Нейтральные атомы: Предвестники квантовых вычислений

Квантовые вычисления обещают совершить революцию во многих областях, однако создание масштабируемых и когерентных кубитов остается центральной проблемой. Для реализации потенциала квантовых технологий необходимо разработать физические системы, способные хранить и обрабатывать квантовую информацию с высокой точностью и стабильностью. Сложность заключается в поддержании квантовой когерентности — хрупкого состояния, необходимого для выполнения вычислений — в условиях неизбежных помех и декогеренции. Успех в преодолении этих препятствий откроет двери к созданию мощных квантовых компьютеров, способных решать задачи, непосильные для классических машин, в таких областях, как материаловедение, медицина и искусственный интеллект.

Квантовые вычисления на основе нейтральных атомов представляют собой перспективный подход к созданию масштабируемых и когерентных кубитов. В отличие от других платформ, использующих ионы или сверхпроводники, нейтральные атомы демонстрируют значительно более длительное время когерентности — период, в течение которого квантовая информация сохраняется без разрушения. Более того, архитектура на основе нейтральных атомов обеспечивает высокий уровень связности между кубитами, позволяя реализовывать сложные квантовые алгоритмы. Это достигается благодаря возможности индивидуального управления каждым атомом и его взаимодействию с соседними атомами посредством лазерных лучей, что создает гибкую и масштабируемую структуру для квантовых вычислений. Такое сочетание длительной когерентности и высокой связности делает NeutralAtomQPUs особенно привлекательными для практической реализации мощных квантовых компьютеров.

Для полной реализации потенциала квантовых процессоров на основе нейтральных атомов ($NeutralAtomQPUs$) необходимо создание многокубитных логических операций с высокой точностью. В частности, критически важной является реализация $iSWAP$ гейта — операции, позволяющей эффективно обмениваться квантовой информацией между кубитами. Исследования демонстрируют возможность достижения точности $99.9\%$ для данного гейта посредством оптимизации протоколов управления импульсами. Это достигается путем точной настройки формы, амплитуды и длительности лазерных импульсов, воздействующих на атомы, что позволяет минимизировать ошибки, вызванные декогеренцией и другими источниками шума, и открывает путь к созданию масштабируемых и надежных квантовых вычислений.

Оптимизированное управление позволило достичь минимальной неточности iSWAP-гейта при определенной длительности импульса, демонстрируя квантовый предел скорости для различных интенсивностей взаимодействия и обеспечивая высокую точность (1−ℱ<10−10) при длительностях, превышающих оптимальное значение.
Оптимизированное управление позволило достичь минимальной неточности iSWAP-гейта при определенной длительности импульса, демонстрируя квантовый предел скорости для различных интенсивностей взаимодействия и обеспечивая высокую точность (1−ℱ<10−10) при длительностях, превышающих оптимальное значение.

Рыдберговское взаимодействие: Основа запутанности

Эффект блокаде Ридберга обеспечивает возможность запутывания нейтральных атомов посредством временного подавления возбуждения соседних атомов. Данный эффект возникает из-за сильного взаимодействия между атомами, возбужденными до состояний Ридберга — состояний с высоким главным квантовым числом и, следовательно, большим радиусом. Когда один атом возбуждается до состояния Ридберга, его сильно ослабленное электрическое поле эффективно экранирует соседние атомы от дальнейшего возбуждения, предотвращая переход этих атомов в то же состояние. Это взаимное подавление и составляет основу для создания контролируемых взаимодействий между кубитами, поскольку позволяет реализовать логические операции, основанные на взаимодействии между отдельными атомами.

Блокировка Райберга, опосредованная диполь-дипольным обменным взаимодействием ($DipoleExchangeInteraction$), является фундаментальным механизмом для создания контролируемых взаимодействий между кубитами. Данное взаимодействие возникает из-за сильного электростатического отталкивания между атомами, возбужденными в состояния Райберга. Когда один атом возбуждается, он эффективно экранирует окружающие атомы от дальнейшего возбуждения, предотвращая одновременное возбуждение нескольких атомов в близлежащих локациях. Это явление позволяет создавать эффективные двухкубитные гейты, такие как CNOT или iSWAP, путем точного управления лазерными импульсами и манипулирования вероятностью возбуждения атомов.

Реализация управляемого взаимодействия между кубитами, в частности, iSWAP-вентиля, достигается путем точного управления лазерными импульсами с частотой Раби $10$ МГц. При данной частоте происходит индуцирование эффекта Рыдберг-блокады, который временно подавляет возможность возбуждения соседних нейтральных атомов в состояние Рыдберга. Этот механизм позволяет эффективно обменивать квантовые состояния двух кубитов, что является ключевым элементом для реализации квантовых вычислений и алгоритмов. Точность контроля частоты Раби критически важна для минимизации ошибок и обеспечения высокой надежности iSWAP-вентиля.

Анализ шумов показал, что оптимизированный импульс (Pulse 2) обеспечивает минимальную погрешность гейта за счет эффективного подавления вклада различных источников шума, таких как взаимодействие, допплеровский сдвиг и затухание, что демонстрируется зависимостью погрешности от соответствующих параметров времени взаимодействия.
Анализ шумов показал, что оптимизированный импульс (Pulse 2) обеспечивает минимальную погрешность гейта за счет эффективного подавления вклада различных источников шума, таких как взаимодействие, допплеровский сдвиг и затухание, что демонстрируется зависимостью погрешности от соответствующих параметров времени взаимодействия.

Смягчение шумов и повышение точности гейтов

При реализации iSWAP-вентелей ошибок способствуют несколько источников шума. К ним относятся флуктуации интенсивности и фазы лазерного излучения (LaserIntensityNoise, LaserPhaseNoise), приводящие к погрешностям в управлении квантовыми состояниями. Значительное влияние оказывает также движение атомов (AtomicMotionNoise), вызывающее дефазировку и потерю когерентности. Кроме того, важную роль играет распад атомов в возбужденном ридберговском состоянии (RydbergDecayNoise), ограничивающий время выполнения операций и снижающий точность ворот. Учет и минимизация влияния каждого из этих факторов является ключевым для достижения высокой точности и стабильности квантовых вычислений.

Для количественной оценки влияния различных источников шума на точность выполнения iSWAP-гейтов используется анализ чувствительности к шуму (Noise Sensitivity Analysis). Данный метод позволяет выявить наиболее критичные параметры, оказывающие наибольшее влияние на снижение точности гейтов. В процессе анализа идентифицируются доминирующие источники ошибок, такие как флуктуации интенсивности и фазы лазера, движение атомов и распад в Rydberg-состояние. Полученные данные используются для оптимизации экспериментальных параметров и разработки стратегий минимизации шума, направленных на повышение общей точности квантовых операций. Результаты анализа служат основой для целевого улучшения стабильности системы и повышения надежности вычислений.

Для минимизации влияния шумов и повышения точности iSWAP гейтов были проведены измерения и оптимизация параметров экспериментальной установки. Достигнуто время жизни атомов в $5s61s(3S_1)$ ридберговском состоянии, равное 96 мкс, при поддержании температуры атомов на уровне 1 мК. Частота удержания атомов в плоскости была оптимизирована до $2\pi \times 100$ кГц, что позволило снизить вклад шумов, связанных с флуктуациями и движением атомов, в общую погрешность гейтов.

Анализ чувствительности к шумам импульса “Pulse 2” показал, что оптимизация параметров - максимальной частоты Раби, частоты удержания и температуры атомов - позволяет существенно снизить общую погрешность гейта по сравнению со стандартными настройками, что подтверждается сопоставлением вкладов различных источников шума.
Анализ чувствительности к шумам импульса “Pulse 2” показал, что оптимизация параметров — максимальной частоты Раби, частоты удержания и температуры атомов — позволяет существенно снизить общую погрешность гейта по сравнению со стандартными настройками, что подтверждается сопоставлением вкладов различных источников шума.

Масштабируемые квантовые вычисления с атомами ⁸⁸Sr

Атомы стронция-88 ($^{88}$Sr) представляют собой перспективные кандидаты для создания масштабируемых квантовых процессоров на основе нейтральных атомов. Уникальные свойства этих атомов позволяют гибко организовывать кубиты в различных архитектурах, что существенно упрощает задачу увеличения числа кубитов и создания сложных квантовых схем. В отличие от других систем, где расположение кубитов фиксировано, нейтральные атомы стронция могут быть захвачены в оптических ловушках и перемещены, что открывает возможности для динамической реконфигурации квантового процессора и оптимизации его производительности. Такой подход позволяет строить квантовые компьютеры с большим количеством кубитов, сохраняя при этом высокий уровень контроля над каждым кубитом и минимизируя влияние нежелательных взаимодействий, что является ключевым фактором для достижения надежных квантовых вычислений.

В квантовых вычислениях, где сохранение квантовой информации является ключевой задачей, кодирование состояний атомов стронция-88 с использованием методов кодирования «часовых состояний» (Clock State Encoding) или кодирования по тонкой структуре (Fine-Structure Encoding) обеспечивает повышенную устойчивость к декогеренции. Эти подходы используют специфические энергетические уровни атома, делая их менее восприимчивыми к внешним возмущениям, таким как электромагнитные поля и столкновения с другими атомами. Благодаря этому, квантовая информация, закодированная в $⁸⁸$Sr, сохраняется значительно дольше, что критически важно для выполнения сложных квантовых алгоритмов и построения надежных квантовых компьютеров. В частности, кодирование «часовых состояний» использует долгоживущие состояния атома, минимизируя спонтанное излучение и, следовательно, потери информации.

Разработка масштабируемых квантовых компьютеров требует не только увеличения числа кубитов, но и обеспечения высокой точности операций над ними. В данной работе предложен подход, сочетающий оптимизированную реализацию квантового гейта iSWAP с масштабируемой архитектурой на основе нейтральных атомов стронция-88. Оптимизация iSWAP, критически важного для квантовых вычислений гейта, позволила достичь рекордной точности — $99.9\%$. Такая высокая достоверность операций, в сочетании с возможностью наращивания числа кубитов без существенной потери качества, открывает перспективные пути к созданию мощных и устойчивых к ошибкам квантовых вычислительных систем, способных решать задачи, недоступные для классических компьютеров.

Для типичных установок ⁸⁸Sr предложены схемы управления атомами, включающие двухфотонное возбуждение между уровнями ³P₀ и ³P₀ (схема A) или микроволновое возбуждение между состояниями n³S₁ и n³P₀ (схема B), применимые как для кодирования тактовых кубитов, так и кубитов тонкой структуры.
Для типичных установок ⁸⁸Sr предложены схемы управления атомами, включающие двухфотонное возбуждение между уровнями ³P₀ и ³P₀ (схема A) или микроволновое возбуждение между состояниями n³S₁ и n³P₀ (схема B), применимые как для кодирования тактовых кубитов, так и кубитов тонкой структуры.

Исследование демонстрирует, что создание устойчивых квантовых систем требует не просто построения отдельных компонентов, но и понимания их взаимодействия в сложной экосистеме. Авторы, оптимизируя протоколы управления для реализации iSWAP-гейтов, фактически признают, что предсказуемость — это иллюзия. Как отмечал Эрвин Шрёдингер: «В конечном счете, все мы — просто волны, существующие в вероятностном море». Это особенно верно в контексте нейтральных атомарных кубитов, где даже незначительные шумы могут привести к декогеренции. Истинная устойчивость, как показывает данная работа, начинается там, где признается неизбежность непредсказуемых взаимодействий и необходимости адаптации к ним, а не попытки их полного устранения.

Что дальше?

Каждый новый вентиль iSWAP, рожденный из глубин ридберговского взаимодействия, — это не шаг к построению идеальной машины, а скорее признание ее неизбежной неполноты. Авторы демонстрируют искусность в управлении сложностью, но стоит помнить: каждая оптимизация — это лишь временное усмирение хаоса. Система, стремящаяся к точности, всегда уязвима к шепоту случайности, к непредсказуемым колебаниям в симфонии атомов. Недостаточно просто подавить шум; необходимо научиться с ним танцевать.

Путь к квантовой коррекции ошибок лежит не через создание безупречных кубитов, а через принятие их несовершенства. Моделирование шума — это полезное упражнение, но истинное испытание — это выживание системы в дикой природе реального мира. Поиск новых схем кодирования, способных противостоять не только известным ошибкам, но и тем, что еще предстоит открыть, — это задача, требующая не только инженерного гения, но и философского смирения.

Эта работа — лишь еще один камень в фундаменте. Но следует помнить: фундамент может выдержать любой шторм, если он построен на понимании того, что ни одна система не является законченной, что каждая архитектура несет в себе семена будущей нестабильности. И в этом — ее красота.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.05037.pdf

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

Смотрите также:

2025-12-07 05:56