Учёные из Стэнфордского университета представили новую технологию сбора света от отдельных атомов, которая может стать ключом к созданию мощных квантовых компьютеров на миллионы кубитов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. До сих пор основной проблемой масштабирования было медленное и последовательное считывание информации с кубитов, поскольку атомы излучают фотоны слабо и во всех направлениях. Новая система использует массив из 40 оптических резонаторов с микролинзами, каждый из которых удерживает один атом-кубит, и позволяет считывать информацию со всех кубитов одновременно, а не по очереди.

Изображение: Gemini

В основе технологии лежит новая архитектура оптического резонатора. Вместо традиционных зеркал, многократно отражающих свет, команда учёных разместила внутри каждого резонатора микролинзу, которая фокусирует свет непосредственно на одном атоме. Это повышает эффективность взаимодействия света с атомом и позволяет извлекать квантовую информацию с гораздо большей скоростью. Уже протестирован прототип массива более чем из 500 резонаторов. В планах находится создание систем с десятками тысяч элементов.

Различная оптика, включая линзы и зеркала, а также другое испытательное оборудование, которое используется для направления и измерения света, собранного от атомов в микроскопе с массивом резонаторов в лаборатории физика Стэнфорда Джона Саймона. Фото: ЛиПо Чинг для Стэнфордского университета. Источник:https://scitechdaily.com

Параллельное считывание кубитов критически важно для масштабирования. Эксперты считают, что для превосходства над классическими суперкомпьютерами квантовым системам потребуются миллионы кубитов. Достичь такого масштаба, вероятно, удастся путём объединения множества небольших квантовых компьютеров в сеть. Разработанная система оптических резонаторов обеспечивает эффективный интерфейс для такой связи и быстрого обмена данными. В долгосрочной перспективе это открывает путь к созданию «квантовых дата-центров».

Потенциальное влияние технологии выходит за рамки вычислений. Эффективный сбор света на уровне отдельных частиц может совершить прорыв в биосенсорике, микроскопии и даже астрономии. Например, квантовые сети могли бы позволить оптическим телескопам достичь разрешения, достаточного для прямого наблюдения за экзопланетами. В самой же вычислительной сфере масштабируемые квантовые компьютеры могли бы ускорить разработку новых материалов и лекарств, или, возможно, изменить криптографию.