Квантовые столкновительные элементарные логические операции с фермионными атомами высокой точности

Почему «столкновение» атомов может привести к компьютерам будущего

Проектирование новых лекарств, более эффективных аккумуляторов или экзотических материалов часто сводится к одной сложной задаче: предсказать, как облака электронов движутся и взаимодействуют. Современным компьютерам это даётся с трудом, тогда как квантовые компьютеры обещают обходной путь, имитируя эти электроны напрямую. В этой работе показано, как именно это сделать с помощью облаков ультрахолодных атомов: тщательно контролируемые «столкновения» между атомами используются для выполнения одних из самых чистых квантовых логических операций, о которых сообщалось.

Преобразование кристалла света в квантовый чип

Исследователи работают с газом литиевых атомов, охлаждённым до долей градуса над абсолютным нулём и захваченным в «оптической решётке» — кристалле, образованном пересекающимися лазерными лучами. Каждая яркая ячейка в этой решётке может удерживать атомы, подобно тому как углубления в яичной коробке держат яйца. Размещая свет в особой сверхрешётчатой схеме, команда делит каждую ячейку на пару соседних углублений, формируя миллионы одинаковых двухячеистых «слотов», в каждом из которых могут разместиться два атома. Две наинизшие внутренние состояния лития играют роль эффективного спина, поэтому каждый атом выступает как крошечный квантовый бит. Такая установка создаёт естественную площадку для имитации электронов в твёрдых телах, сохраняя при этом программируемость цифрового квантового компьютера.

Использование мягких столкновений как логических операций

Когда два атома захвачены в одной из двухячеистых пар, они могут туннелировать между левым и правым углублением и отталкиваться друг от друга, если оказываются на одной стороне. В совокупности эти движения создают тонкий обмен их спинами и положениями: если барьер между углублениями понижается на точно рассчитанное время, атомы фактически обмениваются своими квантовыми состояниями. Операция обмена — фундаментальный двухкубитный гейт. Команда формирует световые импульсы, которые контролируют высоту барьера, так чтобы нежелательные движения были минимальны, достигнув запутывающего гейта с точностью около 99,75% — одного из лучших показанных для нейтральных атомов. С помощью квантового газового микроскопа они могут наблюдать движение атомов по ячейкам и проверять, что гейты работают как задумано одновременно в десятках двухячеистых слотов.

Создание долговечных квантовых связей

Помимо выполнения быстрых и точных гейтов, исследователи проверяют, насколько устойчивы полученные запутанные состояния. Создав состояние Бэлла — одну из простейших максимально запутанных пар — они позволяют ему эволюционировать в тщательно контролируемом градиенте магнитного поля, который медленно сдвигает относительную фазу между двумя атомами. Развернув последовательность гейтов в обратном порядке, они считывают, как эта фаза меняется со временем. Оказалось, что запутанность сохраняется более десяти секунд, что на порядки превышает примерно миллисекундное время выполнения гейта. Такая долгоживущая коherентность означает, что хрупкая квантовая информация в основном хранится в степенях свободы, которые естественным образом защищены от шума — важное требование для любого крупномасштабного квантового процессора.

Перемещение пар атомов вместе

Многие задачи в химии и материаловедении связаны с электронами, которые движутся коррелированными парами, а не поодиночке. Чтобы уловить такое поведение, авторы сконструировали более сложную операцию, называемую гейтом обмена пар. Вместо обмена отдельными атомами этот гейт перемещает связанную пару с одной стороны двухячеистого потенциала на другую, не разрывая её. Это реализуется путём чередования импульсов взаимодействия с контролируемым наклоном между двумя углублениями, так что только состояния, содержащие пару, испытывают энергетический сдвиг. Тщательно синхронизированная составная последовательность оставляет спиновые состояния одиночных атомов нетронутыми, одновременно когерентно перемещая пары туда и обратно. Фактически это даёт отдельные регуляторы для движения одиночных частиц и пар — именно те элементы, которые нужны для непосредственного кодирования реалистичных электронных процессов в аппаратуре.

От лабораторных массивов к практичным квантовым инструментам

Собрав эти элементы воедино, работа подтверждает, что столкновения фермионных атомов в оптических решётках являются конкурентоспособным путём к квантовым вычислениям. Поскольку платформа естественным образом учитывает правила, которыми руководствуются электроны — такие как фиксированное число частиц и антисимметричная статистика обмена — она избегает многих накладных расходов оформления, присущих более общим схемам кубитов. Демонстрируемые гейты уже позволяют гибридные схемы, в которых аналоговые симуляции сложных материалов дополняются цифровыми шагами для подготовки состояний и считывания. Взгляд в будущее показывает, что скромные технические улучшения могут сократить времена гейтов до менее чем десяти микросекунд и масштабировать массивы до десятков тысяч ячеек, проложив путь к корректируемым ошибками, полностью цифровым фермионным квантовым процессорам, способным решать реальные задачи в химии, конденсированном веществе и даже решётчатых калибровочных теориях.

Цитирование: Bojović, P., Hilker, T., Wang, S. et al. High-fidelity collisional quantum gates with fermionic atoms. Nature 652, 602–608 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10356-3

Ключевые слова: фермионные квантовые вычисления, нейтрально-атомные кубиты, оптические решёточки, взаимосвязывающие гейты, квантовая симуляция