Cómo una cadena de átomos gigantes podría traer cuántica computadoras a laboratorios de física

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El átomo gigante oculta a sus vecinos bajo una falda de un solo electrón. viene a la mecánica cuántica, trato de evitar escribir sobre puramente Resultados teóricos. Esto es especialmente cierto en la computación cuántica, donde, en un pasado no muy lejano, cada investigador pondría sus nombres a documentos que describen una nueva forma de hacer un cuanto computadora. Entonces la gente comenzó a jugar con lo real, y De repente, el lado de la teoría tenía menos atracciones. Pero de vez en cuando Una vez más, una de estas ideas me hace apretar el teclado.

Hoy, son los átomos de Rydberg y cómo hacer una computadora cuántica de ellos. Es un poco exagerado, pero dado el detalle de la cálculos, probablemente sea algo que aparecerá en un par de años. Y cuando aparezca, no será como el anterior computadoras cuánticas, que comenzaron a probar con uno o dos qubits. ALa computadora Rydberg debería comenzar con 10-12 qubits.

Rydberg átomos de nuevo?

Recientemente informé sobre una historia sobre cómo los átomos podrían quedar atrapados dentro de un átomo de Rydberg. En ese artículo, describí lo que es un Rydberg átomo es. Déjame repetirme aquí:

Un átomo de Rydberg es un átomo ordinario con un electrón que tiene un mucha energía Los electrones cargados negativamente son retenidos por un átomo porque se sienten atraídos por el núcleo cargado positivamente. Los electrones atrapados están todos apilados en orden de energía (estoy ignorando todas las otras propiedades que hacen que la pila sea más interesante). Esta pila es básicamente la misma para todos los átomos: hay son un número infinito de energías posibles, todas las cuales todavía por debajo de cero, y una energía por encima de cero indica que el electrón está Ya no está unido al átomo. El truco es que, como la brecha entre cada capa en la pila se hace más y más pequeña, más energía tienes.

Un láser con exactamente el color correcto puede excitar un electrón de en algún lugar cerca del fondo (entonces, tal vez alrededor de la quinta capa en el apilar) hasta algo así como la capa 30 a 150 en el apilar. Estos electrones apenas están unidos al átomo. Su energía es tan alto que tienen órbitas circulares, casi como planetas, en Una gran distancia del núcleo. Estos átomos de Rydberg pueden tener un radio tan grande como un micrómetro, aproximadamente mil veces mayor que Su tamaño normal.

Entonces un átomo de Rydberg es como un átomo ordinario, pero tiene uno electrón con suficiente energía para mantenerlo circulando en un lugar Gran distancia del núcleo. Normalmente advertimos a las personas que los electrones no orbitan como los planetas alrededor del Sol, sino electrones en estas energías muy altas están tan cerca como llegarás a un analogía del planeta

Transición prohibida

Para convertir un átomo de Rydberg en un qubit (un qubit es un poco cuántico información), elige dos de estos estados energéticos como uno lógico y lógica cero. En este caso, los investigadores eligieron el 48 y 50 estados porque es casi imposible para un átomo de Rydberg en el estado 50 para perder algo de energía y descomponerse en el 48 estado. No voy a explicar cómo funciona esto, pero es suficiente decir que pasar del estado 50 al 48 implica cambiar más de solo la energía del electrón, por lo que no se puede hacer emitiendo o absorbiendo un solo fotón de luz.

Un gran problema con los estados de Rydberg es que les encanta rendirse su energía emitiendo microondas a medida que avanzan por la pila utilizando transiciones más favorables. Los investigadores demostraron que esto puede prevenirse colocando los átomos dentro de un condensador. los los límites conductores creados por dos placas metálicas determinan exactamente qué longitudes de onda de microondas puede emitir el átomo. Al elegir el espaciado de la placa correctamente, el átomo encontrará todo rutas de los estados 50 y 48 bloqueadas porque no puede emitir La frecuencia correcta de radiación.

El siguiente problema es que los átomos de Rydberg no se quedan quietos. En lugar, Tienen que estar atrapados. En este caso, los investigadores piensan que pueden realizar esta tarea utilizando rayos láser que tienen una rosquilla perfil: oscuro en el medio con un anillo brillante. Los átomos de Rydberg son un poco como las cucarachas: evitan la luz. Entonces el láser (en realidad un par de rayos láser) empujarán los átomos a espacios regulares parches oscuros, lo que resulta en una cadena de átomos de Rydberg con un espacio eso es controlado por el láser.

Con esto, tenemos las herramientas para crear qubits y asegurarnos que no se escapan Para calcular algo, los qubits necesitan poder realizar operaciones entre sí, excepto los investigadores no planees crear puertas discretas como una digital clásica computadora. En cambio, están pensando más en términos de analógico ordenadores. En este caso, los investigadores apuntan a que los qubits sean continuamente acoplados entre sí. Si lo arreglas bien, el estado de qubit uno afecta el estado de qubit dos, y viceversa viceversa

Pero debe organizarlo correctamente: la fuerza de acoplamiento debe estar bajo control para que pueda sintonizarse de fuerte a débil.

Resulta que la naturaleza misma de los átomos de Rydberg te da Esto es gratis. La fuerza directa I-feel-your-charge se cae con distancia, mientras que un acoplamiento menos directo que depende del giro de el electrón depende tanto de la distancia como del voltaje aplicado a El condensador. Estas dos perillas son suficientes para completar un análogo computadora cuántica basada en átomos atrapados de Rydberg.

Agarrarse, es solo teoría

Si lo que describí fuera todo lo que había, sería una buena idea Pero nada más. Los átomos de Rydberg también son relativamente simples de modelo, sin embargo; una vez que sepas cómo se comporta un solo átomo de Rydberg, puedes modelar una cadena de ellos también. Los investigadores hicieron esto para comprobar cosas como si el condensador detendría el Rydberg átomos de descomposición, si la captura funcionaría, y si los átomos vecinos podrían comunicarse entre sí de la manera en que Los investigadores esperaban.

Basado en ese modelo, parece que no solo vale la pena la idea persiguiendo, pero incluso puede funcionar. Y no está muy lejos. Está Ya es posible atrapar átomos individuales en una red óptica. Eso debería ser posible usar una combinación de láser y microondas fuentes para excitar los átomos atrapados para formar el Rydberg deseado estados. La dificultad, según lo veo, es que tienes que hacer todo esto en el espacio confinado entre dos placas de condensadores.

Espero informes sobre los átomos de Rydberg atrapados antes del verano y el primeros experimentos de computadora cuántica analógica antes del final de la año.

A diferencia de la mayoría de los intentos actuales de computación cuántica, este tipo de el dispositivo se vuelve útil incluso si hay menos de 20 qubits en total. Eso es porque una computadora cuántica analógica como esta será principalmente solía entender problemas de física, que ya son difíciles comparativamente pequeña escala. Veinte qubits ya te llevan más allá qué pueden hacer las computadoras clásicas actuales y en el ámbito de utilidad.

Physical Review X, 2018, DOI: 10.1103 / PhysRevX.8.011032