光学效应将原子量子比特的量子计算推进到一个新维度

塔尔博特效应从激光中形成周期性图案（模拟）。单个原子量子比特可以在高强度点（红色）进行存储和处理。资料来源：达姆施塔特大学/APQ

达姆施塔特物理学家已经开发出一种技术，可以克服建立一个与实际相关的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-塔尔博特于1836年在这里发现的一种光学效应。由达姆施塔特工业大学应用物理研究所的Malte Schlosser和Gerhard Birkl领导的团队在《物理评论通讯》杂志上介绍了这一成功。

量子计算机能够解决某些任务，甚至比超级计算机快得多。然而，到目前为止，只有最多几百个 "量子比特 "的原型。这些是量子计算中的基本信息单位，对应于经典计算中的 "比特"。然而，与比特不同，量子比特可以同时处理两个值 "0 "或 "1"，而不是一个接一个，这使得量子计算机可以并行地进行大量的计算。

在实际应用中，如优化复杂的交通流，将需要拥有成千上万，甚至几百万的量子比特的量子计算机。然而，增加量子比特会消耗资源，如激光输出，这到目前为止已经阻碍了量子计算机的发展。达姆施塔特团队现在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超过一万个，而不需要相应地增加资源。

Qubits可以通过不同的方式实现。例如，像谷歌这样的科技巨头使用人工制造的超导电路元件。然而，单个原子也是实现这一目的的绝佳途径。为了有针对性地控制这些，单原子量子比特必须被固定在一个规则的格子里，类似于棋盘。

物理学家通常为此使用一个由有规律排列的光点组成的 "光学晶格"，它是在激光束相互交叉时形成的。"Birkl解释说："如果你想把量子比特的数量增加某个系数，你也必须相应地增加激光输出。

他的团队以一种创新的方式生产光学晶格。他们将激光照射到一个指甲盖大小的玻璃元件上，在这个元件上排列着类似于棋盘的微小光学镜片。每个微透镜都捆绑着激光束的一小部分，从而形成一个焦点平面，可以容纳原子。

现在，塔尔博特效应在上面发生了，到目前为止，这被认为是一个麻烦：焦点层以相等的间隔重复多次；产生了所谓的 "自影像"。因此，二维的光学晶格变成了三维的光学晶格，拥有许多倍的光点。"这项工作的主要作者Malte Schlosser说："我们是免费得到的。他的意思是，为此不需要额外的激光输出。

微透镜的高制造精度导致了非常有规律地排列的自我图像，这可以用于量子比特。研究人员确实能够用单个原子加载额外的层。在给定的激光输出下，创建了16个这样的自由层，有可能允许超过10,000个量子比特。根据Schlosser的说法，传统的激光器在未来可以用来将功率提高到四倍。

"微透镜领域还可以进一步优化，"Birkl解释说，例如通过用更小的透镜创造更多的焦点。因此，在可预见的未来，10万个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向开发实用的量子计算机迈出的重要一步。

Schlosser强调说，这项技术并不限于量子计算机。"我们的平台也有可能适用于高精度的光学原子钟"。达姆施塔特团队计划进一步发展其新的量子比特平台，并设想在量子技术领域有多种可能的应用。
参考资料：Malte Schlosser et al, Scalable Multilayer Architecture of Assembled Single-Atom Qubit Arrays in a Three-Dimensional Talbot Tweezer Lattice, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.180601