O capcană luminoasă minuscule deschide calea către calculatoare cuantice cu milioane de qubiți

Sursa foto: Sciencedaily

O echipă de cercetători de la Stanford a prezentat o abordare optică inovatoare care poate colecta eficient lumina emisă de atomi individuali, un pas important pentru citirea rapidă a qubiților și pentru scalarea calculatoarelor cuantice. Noua arhitectură folosește cavități optice miniaturizate, prevăzute cu microlentile, care concentrează fotonii emiși de fiecare atom către un unghi controlat, permițând astfel citirea simultană a unui mare număr de qubiți. Echipa a demonstrat deja matrice funcționale cu zeci și chiar sute de cavități, iar rezultatele indică un traseu real către rețele cuantice extinse, potențial cu milioane de qubiți.

Cavități optice care permit citirea mai rapidă a qubiților

O problemă fundamentală în construcția calculatoarelor cuantice este capacitatea de a extrage informația din qubiți suficient de repede. Atomi utilizați ca qubiți nu emit lumină suficient de rapid, iar emisia lor se face în toate direcțiile, ceea ce complică colectarea eficientă a fotonilor purtători de informație. Echipa de la Stanford a creat un tip nou de cavitate optică care capturează fotonii emişi de atomi individuali, direcţionându-i prin intermediul unei structuri concepute să maximizeze interacţiunea dintre atom şi lumină.

În lucrul publicat în Nature, cercetătorii descriu un sistem compus din 40 de cavități optice, fiecare găzduind un atom qubit, precum și un prototip mai mare care conține mai mult de 500 de cavități. Aceste demonstrații practice oferă dovezi că metoda ar putea susține o extindere masivă, până la rețele cuantice ce includ milioane de qubiți.

Jon Simon, autorul principal al studiului și profesor asociat de fizică și de fizică aplicată în School of Humanities and Sciences de la Stanford, a subliniat importanța vitezei de citire: «Dacă vrem să construim un calculator cuantic, trebuie să putem citi informația din biții cuantici foarte repede». El a explicat că, până acum, nu exista o metodă practică de a face acest lucru la scară, deoarece atomii nu doar că emit lumină lent, dar o fac în toate direcțiile. O cavitate optică poate ghida eficient lumina emisă către o direcție dorită, iar acum cercetătorii au găsit o cale de a echipa fiecare atom dintr-un calculator cuantic cu propria cavitate individuală.

Cum controlează cavitățile optice lumina

O cavitate optică reține lumina între două sau mai multe suprafețe reflectorizante, determinând-o să se reflecte repetat; fenomenul poate fi ilustrat prin analiza efectului oglindelor opuse într-un labirint de oglinzi, unde reflexiile par să se întindă la infinit. În aplicaţii ştiinţifice, aceste cavităţi sunt mult mai mici și folosesc treceri repetate ale unui fascicul laser pentru a extrage informaţie din atomii conţinuţi.

Deși cavitățile optice sunt studiate de decenii, utilizarea lor cu atomi s-a dovedit dificilă, deoarece atomii sunt extrem de mici și aproape transparenți; astfel, obținerea unei interacțiuni suficient de puternice între lumină și atom a rămas o provocare constantă. Noua arhitectură depășește aceste limitări printr-un design care maximizează interacţiunea fără a se baza exclusiv pe un număr mare de reflexii.

Un nou design bazat pe microlentile

În loc să se bazeze pe multiple reflexii repetate, echipa a introdus microlentile în interiorul fiecărei cavități pentru a focaliza strâns lumina pe un singur atom. Această concentrarea intensă face ca, chiar și cu un număr mai mic de reflecţii, captarea informaţiei cuantice să fie mai eficientă. Metoda reduce dependența de lungimea de drum optică tradițională și permite construirea de matrice compacte de cavități care interacționează puternic cu atomii găzduiți.

Adam Shaw, Stanford Science Fellow și primul autor al studiului, a explicat: «Am dezvoltat un nou tip de arhitectură de cavitate; nu mai sunt doar două oglinzi». El a adăugat că speranța este ca această soluție să permită realizarea unor calculatoare cuantice distribuite, mult mai rapide, care să comunice între ele cu rate de date semnificativ mai mari.

Dincolo de limitele binare ale calculului clasic

Calculatoarele convenționale procesează informație utilizând biți care pot reprezenta numai 0 sau 1. În schimb, calculatoarele cuantice operează cu qubiți, care se bazează pe stările cuantice ale particulelor minuscule. Un qubit poate reprezenta 0, 1 sau ambele stări simultan, grație principiului suprapunerii cuantice; această proprietate le permite sistemelor cuantice să abordeze anumite calcule mult mai eficient decât mașinile clasice.

Jon Simon a folosit o analogie pentru a ilustra avantajul: «Un calculator clasic trebuie să parcurgă posibilitățile una câte una, căutând răspunsul corect; dar un calculator cuantic acționează ca niște căști cu anulare a zgomotului, comparând combinații de răspunsuri, amplificându-le pe cele corecte și atenuându-le pe cele greșite». Capacitatea de a citi rapid și în paralel mulți qubiți este esențială pentru valorificarea acestui avantaj în calculul la scară mare.

Scalarea către supercalculatoare cuantice

O estimare curentă indică că, pentru ca un calculator cuantic să depășească cele mai puternice supercalculatoare clasice în multe aplicații, va avea nevoie de milioane de qubiți. Conform lui Simon, atingerea acestei dimensiuni va solicita probabil conectarea a numeroase calculatoare cuantice într-o rețea extinsă. Interfața bazată pe lumină care permite citirea paralelă, demonstrată prin aceste matrice de cavități, furnizează o fundație eficientă pentru a scala la asemenea dimensiuni.

Echipa a demonstrat în studiul actual o matrice funcțională cu 40 de cavități și un sistem de tip proof-of-concept ce conține mai mult de 500 de cavități. Următorul obiectiv al cercetătorilor este extinderea la zeci de mii de cavități, iar pe termen mai lung își imaginează centre de date cuantice în care calculatoarele cuantice individuale sunt interconectate prin interfețe de rețea bazate pe cavități pentru a forma supercalculatoare cuantice la scară completă.

Impact științific și tehnologic mai larg

Deși există obstacole inginerești importante de rezolvat, cercetătorii consideră că beneficiile potențiale sunt substanțiale. Calculatoarele cuantice de mari dimensiuni ar putea conduce la progrese în proiectarea materialelor și sinteza chimică, inclusiv aplicații relevante pentru descoperirea de medicamente, precum și la avansuri în spargerea codurilor. Capacitatea de a colecta eficient lumina are, de asemenea, implicații dincolo de calcul: rețelele de cavități ar putea îmbunătăți biosenzoristica și microscopie, sprijinind progresul în cercetarea medicală și biologică.

Cercetătorii arată că rețelele cuantice ar putea chiar contribui la astronomie, prin permiterea telescoapelor optice cu rezoluție sporită, ceea ce ar putea da posibilitatea observării directe a planetelor care orbitează stele din afara sistemului nostru solar. Adam Shaw a spus: «Pe măsură ce înțelegem mai bine cum să manipulăm lumina la nivelul unei singure particule, cred că aceasta va transforma abilitatea noastră de a vedea lumea».

Echipa, colaborările și finanțarea

Jon Simon deține titlul de Joan Reinhart Professor of Physics & Applied Physics, iar Adam Shaw este Stanford Science Fellow. Alte co-semnături de la Stanford includ pe David Schuster, Joan Reinhart Professor of Applied Physics, și doctoranzii Anna Soper, Danial Shadmany și Da-Yeon Koh. Lista completă de autori din referința jurnalului include: Adam L. Shaw, Anna Soper, Danial Shadmany, Aishwarya Kumar, Lukas Palm, Da-Yeon Koh, Vassilios Kaxiras, Lavanya Taneja, Matt Jaffe, David I. Schuster, Jonathan Simon.

Alți coautori provin de la instituții precum Stony Brook University, the University of Chicago, Harvard University, și Montana State University. Cercetarea a beneficiat de sprijin financiar din partea National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research, Army Research Office, Hertz Foundation și U.S. Department of Defense.

Declarații privind interesele financiare sunt specificate: Matt Jaffe de la Montana State University și Jonathan Simon acționează ca consultanți și dețin opțiuni pe acțiuni în Atom Computing. De asemenea, Shadmany, Jaffe, Schuster și Simon, precum și Aishwarya Kumar din Stony Brook, dețin un patent pe geometria rezonatorului demonstrată în acest studiu.

Lucrarea a fost publicată în revista Nature sub titlul «A cavity-array microscope for parallel single-atom interfacing», cu referința: Adam L. Shaw, Anna Soper, Danial Shadmany, Aishwarya Kumar, Lukas Palm, Da-Yeon Koh, Vassilios Kaxiras, Lavanya Taneja, Matt Jaffe, David I. Schuster, Jonathan Simon. Nature, 2026; DOI: 10.1038/s41586-025-10035-9.

Detaliile tehnice și demonstrațiile experimentale descrise deschid calea pentru dezvoltări viitoare, de la prototipuri experimentale la arhitecturi modulare ce ar putea fi integrate în reţele cuantice de largă scară. Progresul în controlul luminii la nivel de particulă şi în convertirea acesteia în semnale utile pentru citirea stărilor cuantice este un element cheie pentru atingerea performanţei dorite în calculul cuantic la scară industrială.

Pentru o prezentare succintă a studiului și contextul publicării, informațiile sunt disponibile pe pagina de știri: ScienceDaily, care citează materialele furnizate de Stanford University.