Fraunhofer ILT vyvinul systém 2000 laserů pro kvantové počítače s Rydbergovými atomy

Výzkumníci z německého institutu Fraunhofer ILT v Cáchách vyvinuli pokročilý laserově-optický systém, který by mohl výrazně posunout vývoj kvantových počítačů. Systém je schopen projektovat až 2 000 individuálně ovladatelných laserových paprsků do vakuové komory, přičemž každý paprsek slouží k zachycení a udržení jednoho Rydbergova atomu na přesně definované pozici. Přesnost celého systému dosahuje submikrometrické úrovně, což je klíčový předpoklad pro spolehlivé fungování kvantových logických operací.

Projekt vznikl ve spolupráci s 5. fyzikálním institutem Univerzity ve Stuttgartu a jeho výsledky představují konkrétní technický krok směrem k realizaci funkčního kvantového počítače na bázi neutrálních atomů. Zatímco většina veřejné diskuse o kvantových počítačích se soustředí na supravodivé qubity nebo iontové pasti, neutrální atomy v optických mřížkách představují alternativní přístup, který v posledních letech získává stále větší pozornost odborné komunity.

Základním principem celého konceptu je skutečnost, že kvantové logické procesy jsou podmíněny přímou interakcí mezi atomy. Aby k takové interakci mohlo docházet řízeným a opakovatelným způsobem, musí být atomy udržovány ve vzájemné vzdálenosti, která umožňuje jejich vzájemné působení prostřednictvím takzvaných van der Waalsových sil nebo dipólových interakcí. Právě zde hraje nově vyvinutý optický systém nezastupitelnou roli. Bez schopnosti přesně a stabilně umístit tisíce atomů do předem definovaných pozic by bylo řízení kvantových stavů v takovém měřítku prakticky nemožné.

Rydbergovy atomy jsou atomy excitované do velmi vysokých energetických stavů, přičemž jejich elektrony obíhají jádro ve značné vzdálenosti. Díky tomu vykazují tyto atomy mimořádně silné elektrické dipólové momenty a jsou schopny vzájemně interagovat i na vzdálenosti několika mikrometrů. Tato vlastnost je činí ideálními kandidáty pro realizaci kvantových hradel, tedy základních stavebních kamenů kvantového výpočtu. Problémem však bylo dosud zvládnout manipulaci s takovým počtem atomů současně a s dostatečnou přesností.

Fraunhofer ILT tento problém řeší prostřednictvím sofistikovaného optického systému, který kombinuje pokročilé prvky pro tvarování a směrování laserového záření. Výsledkem je schopnost generovat pole 2 000 ohniskových bodů s submikrometrickou přesností jejich umístění. Každý takový bod funguje jako optická past, v níž je zachycen jeden atom. Celé pole pak tvoří programovatelnou mřížku potenciálních qubitů, s níž lze manipulovat a konfigurovat ji podle potřeb konkrétního výpočetního úkolu.

Spolupráce mezi cášským Fraunhofer ILT a stuttgartskou univerzitou odráží typický model německého výzkumu, v němž aplikovaný výzkum průmyslových institutů úzce navazuje na základní výzkum akademických pracovišť. Stuttgartský 5. fyzikální institut má v oblasti fyziky studených atomů a kvantové optiky dlouhodobou tradici a jeho expertíza v práci s Rydbergovými atomy tvoří přirozený základ pro tento společný projekt.

Z hlediska dalšího vývoje kvantových technologií je dosažení hranice 2 000 ovladatelných atomů významným milníkem. Dosavadní systémy pracovaly zpravidla s řádově menším počtem qubitů, přičemž škálování na vyšší počty naráželo právě na technické