塔尔博特效应从激光形成周期性图案(模拟)。单原子量子位可以在高强度点(红色)存储和处理。图片来源:TU Darmstadt/APQ
达姆施塔特的物理学家已经开发出一种技术，可以克服建造实用量子计算机的最大障碍之一。他们利用了英国摄影先驱威廉·塔尔博特在1836年发现的一种光学效应。来自Technische Universität Darmstadt应用物理研究所的Malte Schlosser和Gerhard Birkl领导的团队在《物理评论快报》杂志上发表了这一成功。
量子计算机能够比超级计算机更快地解决某些任务。然而，到目前为止，只有最多几百个“量子位”的原型。这些是量子计算中的基本信息单位，相当于经典计算中的“比特”。然而，与比特不同的是，量子位可以同时处理“0”或“1”两个值，而不是一个接一个地处理，这使得量子计算机能够并行执行大量计算。
在实际应用中，例如优化复杂的交通流量，需要具有数千甚至数百万量子比特的量子计算机。然而，增加量子比特会消耗激光输出等资源，这迄今为止阻碍了量子计算机的发展。达姆施塔特团队现在已经展示了如何利用光学塔尔博特效应将量子比特的数量从几百个增加到一万多个，而不需要按比例增加额外的资源。
量子比特可以以不同的方式实现。例如，谷歌等科技巨头使用人工制造的超导电路元件。然而，单个原子也非常适合这个目的。为了以有针对性的方式控制这些，单原子量子位必须保持在一个规则的晶格中，类似于棋盘。
物理学家通常使用由有规则排列的光点组成的“光学晶格”，这是激光束相互交叉时形成的。“如果你想将量子比特的数量增加一个特定的因子，你也必须相应地增加激光输出，”Birkl解释说。
他的团队以一种创新的方式生产光学晶格。他们将激光照射到指甲大小的玻璃元件上，上面排列着类似棋盘的微小光学透镜。每个微透镜将激光束的一小部分束在一起，从而形成一个可以容纳原子的焦点平面。
现在，塔尔博特效应发生在顶部，这一直被认为是一个麻烦:焦点层以相同的间隔重复多次;所谓的“自我形象”由此产生。因此，一个二维的光学晶格变成了一个具有许多倍的光点的三维晶格。该研究的主要作者Malte Schlosser说:“我们可以免费获得这些信息。”他的意思是不需要额外的激光输出。
微透镜的高制造精度导致非常有规则地排列自我图像，这可以用于量子位。研究人员确实能够在额外的层上装载单个原子。在给定的激光输出下，创造了16个这样的自由层，可能允许超过10,000个量子比特。根据Schlosser的说法，未来传统激光器的功率可以增加四倍。
“微透镜领域还可以进一步优化，”Birkl解释说，比如用更小的透镜创造更多的焦点。因此，在可预见的未来，100,000量子比特甚至更多将成为可能。该团队展示的量子比特数量的可扩展性代表了开发实用量子计算机的重要一步。
Schlosser强调，这项技术并不局限于量子计算机。“我们的平台也可能适用于高精度光学原子钟。”达姆施塔特团队计划进一步开发其新的量子比特平台，并设想在量子技术领域的各种可能应用。
更多信息:Malte Schlosser等人，三维Talbot镊子晶格中组装单原子量子位阵列的可扩展多层架构，物理评论快报(2023)。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.180601
期刊信息:Physical Review Letters
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