Десятилетиями камнем преткновения для квантовых компьютеров была проблема масштабирования. Современные системы на нейтральных атомах или ионах напоминают плоский лист: кубиты выстроены в цепочку или расположены в одном тонком слое. Чтобы нарастить мощность до миллиона кубитов, ученым пришлось бы создавать установки площадью с футбольное поле, которыми почти невозможно управлять.
Ученые сделали важный шаг к созданию квантовых компьютеров на миллионе кубитов
Физики Гарвардского университета нашли способ упаковывать квантовые биты в трехмерные структуры, используя эффект Монтгомери, теоретически разработанный еще в 1967 году. Экспериментальное подтверждение эффекта Монтгомери позволяет фокусировать лазерные лучи в пустом пространстве без линз, создавая трехмерные световые ловушки для миллионов кубитов. Это работа стала развитием идей великого российского физика Владилена Летохова, который еще в 1970-е годы описал идеи лазерного охлаждения и лазерных ловушек.
Иллюстрация пространственно структурированного явления самофокусировки луча, известного как эффект Монтгомери. Цветовая палитра соответствует фазовому профилю света, показывая спиралеобразный волновой фронт света с орбитальным угловым моментом, появляющийся вновь при распространении. Joshua Mornhinweg
В квантовом мире важна не только плотность, но и связность. В плоской структуре у каждого атома всего четыре соседа. В трехмерном «кристалле», созданном благодаря эффекту Монтгомери, количество связей резко возрастает. Это позволяет квантовым алгоритмам исправления ошибок работать на порядок быстрее. По сути, мы переходим от медленных «пробок» на плоскости к скоростным многоуровневым развязкам в объеме, где информация передается по кратчайшему пути между любыми узлами системы.
Решение пришло из области теоретической оптики прошлого века. Эффект Монтгомери, предсказанный еще в 1967 году, гласит: свет может самопроизвольно восстанавливать свой фокус в свободном пространстве через равные промежутки пути. Почти 60 лет это предсказание оставалось всего лишь изящным математическим трюком, пока команда Федерико Капассо не заставила лазер «вспоминать» свою форму без единой стеклянной линзы. Работа опубликована в журнале Optica.
Концепция эффектов Тальбота и Монтгомери.
Исследователи программируют фазу лазерного луча так, что он как бы несет в себе чертеж для собственного восстановления. Распространяясь в пустоте, луч сначала рассеивается, а затем резко собирается в яркую точку или сложную фигуру именно там, где это нужно инженерам. Этот цикл повторяется многократно, создавая в пространстве целую серию идеально выверенных фокусов. Такая «световая скульптура» позволяет обойти ограничения линзовой оптики, которая неизбежно вносит искажения и мешает плотной упаковке элементов.
Экспериментальная реализация эффектов Тальбота и Монтгомери.
Архитектура миллиона кубитов
Переход от плоских схем к трехмерным массивам радикально меняет дорожные карты таких стартапов, как Quantum Art или QuEra. Вместо того чтобы пытаться удержать атомы в одной плоскости, физики теперь могут строить из них многослойные конструкции.
Эффект Монтгомери обеспечивает ювелирную точность: свет фокусируется только в узких слоях, оставляя пространство между ними темным. Это исключает помехи и позволяет кубитам на разных уровнях работать слаженно, не мешая друг другу фоновым излучением.
Иллюстрация мультикубитных гейтов. Компания Quantum Art
«Наша полностью программируемая платформа может найти применение в широком спектре областей: от крупномасштабных квантовых компьютеров на нейтральных атомах до многоплоскостной микроскопии, когда съемка ткани ведется одновременно на нескольких глубинах», — подчеркивает соавтор работы Мурат Ессенов.
Возможность управлять сотнями ловушек с помощью одного подготовленного луча превращает сборку квантового процессора из ручного труда в автоматизированный процесс, подобный 3D-печати. В ближайшие годы это открытие может резко сократить сроки создания вычислительных систем с миллионом кубитов, превращая целые квантовые «футбольные поля» в компактные кристаллы.
Реализация метода, основанного на эффекте Монтгомери, стала возможной благодаря развитию идей великой школы лазерной физики, заложенной в Троицке в Институте спектроскопии Владиленом Летоховым еще в 1970-е годы. Именно он первым предсказал возможность захвата атомов светом. Сегодняшний прорыв с эффектом Монтгомери — это успех той самой философии Летохова: лазер — не просто освещение, а сверхточный инструмент манипуляции материей. Вместо громоздких приборов ученые используют фундаментальные свойства волновой интерференции, фактически заставляя саму природу выполнять работу по сборке сложнейших квантовых процессоров будущего.