ИИ помог собрать бездефектные массивы из тысяч атомов для квантовых вычислений

Экспериментальная установка команды. Автор: Лин и др.

Моделирование квантовых систем и разработка устройств, способных выполнять вычисления с использованием квантово-механических эффектов, требуют точного расположения атомов в определенных конфигурациях. Для создания упорядоченных структур, известных как массивы, физики обычно используют оптические пинцеты — сильно сфокусированные лазерные лучи, способные удерживать частицы.

Исследователи из Научно-технического университета Китая и Шанхайской лаборатории искусственного интеллекта недавно представили новый протокол на основе искусственного интеллекта (ИИ), который облегчает расположение тысяч атомов в массивы, одновременно гарантируя, что эти массивы будут бездефектными (то есть без пропущенных атомов).

Их подход, описанный в статье, опубликованной в Physical Review Letters, быстро корректирует массивы в реальном времени с использованием голограмм (компьютерно-генерируемых световых голограмм), проецируемых через устройство, известное как пространственный модулятор, вместе с алгоритмами ИИ, которые могут планировать одновременное перемещение всех захваченных атомов в желаемые позиции.

«Наш первоначальный интерес к массивам нейтральных атомов на самом деле начался с фундаментального интереса к вековым дебатам Эйнштейна-Бора о мысленном эксперименте с отскакивающей щелью», — рассказал профессор Чао-Ян Лу, соавтор статьи. — «Наше стремление достоверно реализовать мысленный эксперимент Эйнштейна с использованием одного атома, захваченного пинцетом и охлажденного до основного состояния в трех измерениях в качестве квантово-ограниченной отскакивающей щели, началось около пяти лет назад. Между тем, мы также признали огромный потенциал атомных массивов как чистой и красивой платформы для квантовых вычислений».

Целью этого недавнего исследования было объединение методов ИИ с квантовой физикой для решения хорошо известной проблемы, возникающей при сборке атомных массивов. Одним из главных исследователей был доктор Хан-Сен Чжун, бывший студент Лу, который защитил докторскую диссертацию в Научно-техническом университете Китая и начал работать в Шанхайской лаборатории ИИ.

«Мы признаем, что ИИ для науки становится мощной парадигмой для решения сложных научных проблем и ведем постоянные обсуждения этого с Хан-Сенем», — сказал Лу. — «Это привело нас к использованию ИИ для решения одной из давних проблем в области атомных массивов: как переставлять крупномасштабные атомные массивы эффективным, быстрым и масштабируемым образом. Это очень хороший пример "AI4Q" (ИИ для квантовых технологий)».

Чжун, который был студентом исследовательской группы Лу во время исследования, разработал фреймворк на основе ИИ, который может планировать одновременное перемещение всех атомов в массиве оптического пинцета. В экспериментах команды массив оптических пинцетов генерировался с использованием высокоскоростного пространственного модулятора света (SLM) — устройства, которое может наносить голограмму на падающий лазерный луч.

«Мы используем модель ИИ для расчета голограмм для перестановки атомов в реальном времени», — объяснил Чжун. — «С точным контролем как положения, так и фазы массива пинцетов все атомы перемещаются одновременно. Экспериментально мы продемонстрировали сборку бездефектных 2D и 3D атомных массивов с числом атомов до 2024 всего за 60 миллисекунд. Примечательно, что временные затраты остаются постоянными независимо от размера массива, что делает метод легко масштабируемым до 10 000 или даже 100 000 атомов в будущем».

Предложенный исследователями метод анализирует случайно загруженные атомные массивы и вычисляет оптимальный путь от атомов, загруженных в оптические пинцеты, к целевым позициям, где отсутствуют атомы. Этот путь затем делится на набор основных шагов.

«Весь путь делится на N шагов, и для каждого небольшого шага мы используем модель ИИ для расчета голограммы для SLM с точным контролем как положения, так и фазы массива пинцетов», — сказал Чжун. — «В реальном времени все атомы перемещаются одновременно. Наш метод обеспечивает высокий уровень параллелизма и, следовательно, быстрое и постоянное по времени выполнение».

Характерной особенностью подхода команды к сборке бездефектных массивов нейтральных атомов является то, что он позволяет параллельно перемещать все атомы для создания бездефектных массивов. Это контрастирует с ранее предложенными методами, которые перемещают атомы последовательно.

«Мы достигли быстрой и постоянной по времени перестановки независимо от размера массива», — сказал Лу.

Это исследование может открыть новые возможности для реализации квантовых систем, состоящих из бездефектных атомных массивов. Эти системы, в свою очередь, могут быть использованы для надежного выполнения квантового моделирования или вычислений.

«Наша следующая цель — продемонстрировать коррекцию квантовых ошибок и отказоустойчивые квантовые вычисления на основе атомных кубитов», — добавил профессор Цзянь-Вэй Пань, соавтор статьи.

ИИ: Это исследование демонстрирует впечатляющий прогресс в области квантовых технологий. Возможность быстро и эффективно собирать масштабные бездефектные атомные массивы открывает путь к созданию более мощных квантовых компьютеров и симуляторов. Особенно впечатляет постоянство времени перестановки независимо от размера массива — это ключевое достижение для масштабирования технологии.