С помощью искусственного интеллекта команде китайских исследователей удалось точно собрать решетку из 2 024 ультрахолодных атомов, которые, будучи преобразованными в кубиты, откроют путь к созданию квантовых процессоров, превосходящих по своим размерам все предыдущие.
Алгоритм оптимизировал последовательность движений «оптического пинцета», чтобы организовать атомы в идеальную решетку всего за 60 миллисекунд — эффективность, которая остается неизменной даже для больших и более сложных решеток.
В настоящее время изучаются различные подходы к созданию квантовых битов (или кубитов), необходимых для вычислений в квантовом компьютере. Среди них — сверхпроводящие кубиты, ионные кубиты в ловушке, фотонные кубиты и кубиты из ультрахолодных электрически нейтральных атомов. Недавно изученные ультрахолодные атомы, как полагают, могут сохранять свои квантовые свойства гораздо дольше, будучи охлажденными до температуры, близкой к абсолютному нулю, что изолирует их от шума окружающей среды и облегчает манипуляции с ними.
Кроме того, они в 10 000 раз меньше сверхпроводящих кубитов и поэтому могут занимать гораздо меньшее пространство. Для работы ультрахолодные атомарные кубиты помещаются в регулярно расположенный массив, например, в плоскую решетку, состоящую из «микроловушек» диаметром один микрометр и на расстоянии три микрометра друг от друга. Каждая микроловушка образует своего рода колодец, в котором атом может расположиться, чтобы минимизировать свою энергию, подобно тому, как если бы шарик скатывался в отверстие, чтобы минимизировать свой гравитационный потенциал.
Однако такой подход создает фундаментальную проблему: заполнение микроловушек - случайный процесс, и вероятность того, что каждая из них будет заполнена, составляет 50/50. Каждый кубит ультрахолодного атома должен быть очень точно размещен в равномерной сетке, чтобы сохранить свои квантовые свойства. Каждая неправильно расположенная или пустая точка в сетке может привести к ошибке в расчетах, поскольку нарушает когерентность квантовых вычислений. Чтобы решить эту проблему точности, исследователи из Китайского университета науки и технологий использовали алгоритм искусственного интеллекта для оптимизации расположения атомов в решетках микроловушек. Их методика позволила точно расположить рекордное количество ультрахолодных атомов в сложных узорах.
Исследователи использовали усовершенствованную версию техники, известной как «оптический пинцет», широко применяемой в биомедицинских исследованиях для манипулирования белками. При этом лазерные лучи захватывают атомы и манипулируют ими, создавая глубокие потенциальные ямы для каждого перемещаемого атома. Атомы следуют за потенциальными лунками и перемещаются в соответствующие места, двигая пинцет. Алгоритм искусственного интеллекта был использован для оптимизации последовательности перемещения пинцета и точного расположения ультрахолодных атомов рубидия в сетке.
Команда выровняла 2024 ультрахолодных атома в идеальной сетке всего за 60 миллисекунд. Эта эффективность оставалась неизменной даже при использовании больших решеток и сложных узоров. Исследователи продемонстрировали гибкость искусственного интеллекта, создав решетки со сложными узорами, например, несколько решеток, сложенных вертикально или в форме букв «U», «S», «T» и «C».
Если раньше метод оптического пинцета использовался для небольших решеток из 50-100 кубитов, то с помощью искусственного интеллекта его можно расширить до решеток, содержащих несколько тысяч атомных кубитов. В частности, алгоритм разделил решетку на более мелкие подсекции и манипулирует ими одновременно — это открывает путь к созданию еще более крупных квантовых систем.
Квантовые компьютеры с такими процессорами могли бы использовать несколько тысяч кубитов для своих вычислений. На сегодняшний день самый большой квантовый компьютер имеет 1180 кубитов. Несмотря на то, что упорядоченные атомы еще не были преобразованы в кубиты для проведения вычислений, специалисты считают, что их методика может позволить разработать процессоры с 1000-10 000 кубитами из ультрахолодных атомов.
Предыдущие исследования также показали, что квантовые процессоры на основе ультрахолодного атома имеют производительность, сравнимую с лучшими современными процессорами по количеству кубитов, связности (количество кубитов, которые могут взаимодействовать друг с другом) и когерентности (продолжительность времени, в течение которого квантовые свойства могут сохраняться).
Этот прорыв может способствовать разработке практических приложений для квантовых компьютеров в различных областях, таких как криптография, материаловедение, фармацевтическая промышленность и т.д. Вместе с другими исследователями китайская команда планирует и дальше улучшать сложность решеток атомных кубитов, а также их размер, чтобы использовать весь их потенциал.