Am 23. Juni gelang dem in Shanghai ansässigen chinesischen Unternehmen Xuanxiang Technology die weltweit erste Entwicklung eines Metasurface-Chips, der ein Array aus optischen Pinzetten mit Millionen von Atomen erzeugen kann. Damit wird der grundlegende optische Engpass überwunden, der die skalierbare Erweiterung der neutralen Atom-Quantenberechnung lange Zeit eingeschränkt hat. Dies schafft die entscheidende vorbereitende Hardware-Fähigkeit für den Weg zu einem universellen, fehlertoleranten Quantencomputer im Millionen-Qubit-Maßstab. Das Ergebnis wurde gemeinsam von Xuanxiang Technology und dem chinesischen Unternehmen für neutrale Atom-Quantenberechnung, Zhongqi Wuliang, erzielt. Xuanxiang Technology war für die Chip-Entwicklung verantwortlich, während Zhongqi Wuliang die experimentelle Plattform für neutrale Atome und die systemische Verifikationsunterstützung bereitstellte.
Dieser Chip mit Millionen von optischen Pinzetten ist auf die Erzeugung von Quantenbits aus ultragroßen Atomverbänden ausgelegt. Xuanxiang Technology integriert auf einer Fläche von der Größe einer Fingerspitze Hunderte Millionen nanoskaliger optischer Einheiten, die einen einzelnen Laserstrahl direkt in ein Array aus Millionen von optischen Pinzetten umwandeln können. Dies reduziert die Komplexität des Systems optischer Pinzetten für Atome erheblich. Herkömmliche experimentelle Systeme mit neutralen Atomen sind in der Regel auf großflächige Freistrahloptiken angewiesen, um kontrollierte Atom-Arrays zu erzeugen. Die Systemstruktur ist komplex, und die Array-Größe wird durch Schlüsselkomponenten wie räumliche Lichtmodulatoren und akusto-optische Deflektoren begrenzt. Der Chip-basierte Ansatz komprimiert die Fähigkeit zur Erzeugung optischer Felder in mikrostrukturierte Nanostrukturen und bietet einen neuen technischen Weg für die anschließende standardisierte Integration, Massenreproduktion und kontinuierliche Iteration.
Die Quantenberechnung mit neutralen Atomen erfordert zunächst, dass die gekühlten Atome einzeln in einer Vakuumumgebung mit einem Array optischer Pinzetten gefangen werden. Anschließend werden Quantengatteroperationen durch Laseranregung und Wechselwirkungen zwischen den Atomen realisiert. Ob die Atome stabil geladen, angeordnet und ausgelesen werden können, hat direkten Einfluss auf die Skalierbarkeit der Qubit-Anzahl. Der Metasurface-Chip für das Array aus Millionen von optischen Pinzetten löst das vorgelagerte Problem, „zunächst genügend Atompositionen bereitzustellen“. Dies ist nicht gleichbedeutend mit der Errichtung eines Quantencomputers mit Millionen von Qubits, bietet aber eine größere optische Basis für die anschließende großflächige Atomladung, Systemintegration und Verifikation fehlertoleranter Architekturen.
Xuanxiang Technology und Zhongqi Wuliang führten mehrere Validierungsrunden zur optischen Kopplung, Array-Charakterisierung, Plattformanpassung und Testabläufen durch. Die experimentelle Plattform für neutrale Atome von Zhongqi Wuliang bot dem Chip eine reale Betriebsumgebung und gab die tatsächlichen Anforderungen des Systems an das optische Pinzetten-Array an das Chip-Design, die Herstellung und den Verifikationszyklus zurück. Schließlich wurde der Kreislauf von der Herstellung des Metasurface-Chips mit Millionen von Pinzetten über die optische Feldprüfung bis hin zur realen Verifikation auf der Plattform für neutrale Atome abgeschlossen. Ein weiteres in Shanghai ansässiges Unternehmen für neutrale Atome, Taiyi Liangsheng, hat diese Serie von optischen Pinzetten-Chips ebenfalls eingeführt und führt Experimente mit großflächigen Arrays durch.
Xuanxiang Technology gab bekannt, dass es in der nächsten Phase auf Basis des Chips mit Millionen von optischen Pinzetten zusammen mit Partnern aus dem Quanten-Ökosystem in Shanghai weiter an ingenieurtechnischen Herausforderungen wie der Atomladung im Zehntausend-Bereich, der Integration des Gesamtsystems und dem langfristigen stabilen Betrieb arbeiten wird. Für die Quantenberechnung mit neutralen Atomen ist das Array aus Millionen von optischen Pinzetten nur eine der entscheidenden Hardware-Komponenten auf dem Weg zur Skalierung. In der Folge müssen noch die Atomladungseffizienz, die Quantengatter-Fidelität, die störungsarme Steuerung, die Organisation von Fehlerkorrekturressourcen und die langfristige Systemstabilität weiter verifiziert werden. Dieses Ergebnis zeigt auch, dass in Shanghai in den Industrieketten für neutrale Atome, optische Chips, Mikro-Nano-Fertigung und Präzisionsoptik bereits eine Grundlage für koordinierte Durchbrüche geschaffen wurde.