Немецкие физики смогли осуществить весьма значительный прорыв в области создания квантовых компьютеров, построив идеальную бездефектную тонкую структуру из 111 атомов рубидия, удерживаемых в оптической ловушке. Это достижение превосходит предыдущий рекорд более чем на 50%. Вероятность успешного формирования заданной структуры составила несколько процентов, что также является впечатляющим результатом по сравнению с аналогичными исследованиями. Ученые подчеркивают, что предложенный метод обладает потенциалом неограниченного увеличения числа атомов в структуре за счет использования более мощных лазеров, создающих больше узлов решетки. Данные результаты опубликованы в Physical Review Letters и кратко освещены в Physics. Препринт работы доступен на сайте arXiv.org.  Создание квантовых компьютеров может быть реализовано различными способами, одним из которых является формирование бозе-конденсата холодных атомов с помощью оптической ловушки.

В этом случае каждый атом отвечает одному кубиту, а спин атома определяет его состояние: если спин смотрит вверх, в кубит записана единица, в противном случае — ноль. По сравнению с другими квантовыми компьютерами, компьютеры на основе холодных атомов имеют ряд преимуществ. В частности, их легко масштабировать (то есть добавлять новые кубиты), а ошибки, которые возникают в ходе квантового вычисления из-за декогеренции системы, легко исправить. Именно с помощью такого компьютера в 2017 году физики поставили рекорд по числу одновременно работающих кубитов и впервые смоделировали процесс, недоступный классическому компьютеру. Подробнее про это достижение можно прочитать в материале «Пятьдесят кубитов и еще один».

Единственное, что до сих пор ограничивает создание неограниченно больших квантовых компьютеров на холодных атомах — это дефекты решетки, в которой «сидят» атомы. Для квантового компьютера нужно, чтобы в каждом узле решетки находился один и только один атом. Например, в указанном выше квантовом компьютере такая бездефектная решетка состояла из 51 атома. А в прошлом году физикам удалось довести этот результат до 72 атомов. В основном, улучшить этот результат мешают потери атомов, которые сопровождают перестройку решетки и заполнение пустых мест.

На этот раз группа физиков под руководством Герхарда Биркла (Gerhard Birkl) еще в полтора раза увеличила предыдущий рекорд, доведя число атомов в бездефектной решетке до 111. Прежде чем собирать решетку, исследователи приготовили бозе-конденсат атомов рубидия-87, охлажденный до температуры 100 микрокельвинов, а затем загрузили его в квадратную плоскую оптическую решетку шагом 1,5 микрометра и размером 19×19 шагов. Чтобы создать такую решетку, ученые пропустили инфракрасный лазер (длина волны 800 нанометров) через массив микролинз, которые расщепляли излучение лазера и создавали в каждом узле решетки оптическую ловушку. Поскольку глубина ловушек в тысячу раз превосходила температуру атомов конденсата, все атомы «сваливались» в ловушки. При этом в каждом узле решетки находилось несколько частиц.