Физики из Китая нарисовали мультфильм про кота Шрёдингера, используя решетку из нейтральных атомов. Для смены кадров ученые использовали разработанный ими сверхбыстрый протокол перестановки атомов, основанный на нейросети, которая в реальном времени генерирует параметры для пошагового перемещения атомов. Полученный протокол позволяет создать двумерные и трехмерные атомные решетки размерами до десятков тысяч атомов без дефектов, что особенно важно для квантовой коррекции ошибок, пишут ученые в Physical Review Letters.
Нейтральные атомы — одна из наиболее перспективных платформ для создания квантового компьютера. Она отличается высокой точностью выполнения квантовых вентилей и позволяет производить несколько квантовых вычислений параллельно, а ее архитектуру легко перестраивать и масштабировать. Для создания такого квантового компьютера атомы в ридберговском состоянии фиксируют с помощью оптических пинцетов в массивы, где каждый атом играет роль кубита, а взаимодействие между ними производится лазерами с помощью эффекта ридберговской блокады. Подробнее про квантовые компьютеры на нейтральных атомах, а также про другие платформы для квантовых вычислений, вы можете прочитать в нашем материале «Квантовые технологии. Модуль 4».
Важнейшая задача при подготовке нейтральных атомов к работе — создать из них двумерную (либо трехмерную) решетку без пропусков. Дело в том, что изначально атомы захватываются оптическими пинцетами из холодного атомного облака, и ввиду вероятностной природы квантовой механики некоторые узлы решетки могут оказаться пустыми. Также атомы могут выпадать из узлов решетки в результате квантовых флуктуаций. Это серьезная проблема как для квантовых вычислений и моделирования, так и для квантовой коррекции ошибок. Для устранения пробелов принято перераспределять атомы, вводя недостающие атомы в массив извне. Известны два алгоритма перестановки атомов: последовательный — когда оптические пинцеты передвигают атом за атомом, и параллельный — когда переупорядочивают все атомы одновременно. Оба метода требуют тем больше времени, чем больше атомов содержится в решетке, так что время перестановки больших массивов атомов (порядка тысяч атомов) может приблизиться ко времени разрушения квантового состояния системы.
Ускорить процесс перестановки атомов удалось группе ученых из Университета науки и технологии Китая под руководством Чао-Ян Лу (Chao-Yang Lu) — для этого они использовали машинное обучение. Протокол состоит из двух этапов. На первом этапе физики вычисляют оптимальные траектории перемещения атомов при помощи венгерского алгоритма, стремясь сократить суммарную траекторию всех атомов и избегая их столкновений. Затем эти траектории делятся примерно на 20 шагов, чтобы слишком резкое перемещение атомов не вызвало их выпадение из пинцетов.
На втором этапе для каждого шага по координатам атомов вычисляется новая конфигурация высокоскоростного модулятора света (ВМС), который в свою очередь смещает оптические пинцеты, и, как следствие, атомы. Так как традиционные методы подсчета конфигурации ВМС требуют больших вычислительных времен, ученые предложили использовать для этой задачи полностью сверточную нейросеть. На вход модели подаются координаты оптических пинцетов и соответствующие им фазы, а на выходе ученые получают распределение фаз и амплитуд для ВМС. Для генерации обучающего датасета ученые смоделировали траектории атомов, и для каждого шага перестановки при помощи взвешенного алгоритма Гершберга — Сакстона и быстрого преобразования Фурье подсчитали таргетные значения распределения фаз и амплитуд.
В результате, при выполнении первого этапа протокола требуется 5 милисекунд, тогда как каждый шаг второго этапа требует 52 милисекунды, причем время постоянно для любого количества атомов в массиве в пределах от 1000 до 10000. Чтобы продемонстрировать возможности протокола, ученые создали массив атомов рубидия без дефектов размером в 2024 атома — самый крупный из известных.
От редактора
Примечательно, что хоть авторы и утверждают, что полученный массив атомов — бездефектный, на деле в решетке присутствует пропуск, но всего один, что соответствует пренебрежимо малому проценту дефектов — 0,05. В сравнении с предыдущим рекордом количества атомов в массиве (3000 атомов) где было 5 процентов дефектов, точность заполнения решетки выросла на два порядка. А в 2019 году достижением ученых было упорядочить 111 атомов в решетку без дефектов.
Наконец, чтобы продемонстрировать новый протокол в действии, ученые изобразили с помощью атомов короткий мультфильм, повествующий о знаменитом мысленном эксперименте основателя квантовой механики Эрвина Шрёдингера — коте Шрёдингера. Исходное видео длится меньше секунды, поэтому для комфортного просмотра его замедлили в 33 раза.
Помимо повышения стабильности кубитов на нейтральных атомах, ученые так же бьются над повышением точности квантовых операций в таких системах. Ранее мы писали о том, как ученым удалось повысить точность квантовых операций выбором подходящего типа атомов