Традиционно атомы — неидеальные источники света для считывания: они излучают фотоны медленно и во всех направлениях. Оптический резонатор, состоящий из отражающих поверхностей, усиливает взаимодействие с атомом и направляет излучение в нужную сторону. Однако команда физиков из Стэнфордского университета пошла дальше, добавив в каждый резонатор микролинзы, которые фокусируют свет непосредственно на отдельном атоме. Количество отражения уменьшилось, зато сбор квантовой информации стал гораздо эффективнее.

«Мы разработали новую архитектуру резонатора; это уже не просто два зеркала, — пояснил Адам Шоу, первый автор работы. — Мы надеемся, что это позволит нам создавать значительно более быстрые распределенные квантовые компьютеры, которые смогут обмениваться данными с гораздо более высокой скоростью».

В отличие от классических компьютеров, где биты представляют собой 0 или 1, кубиты могут находиться в суперпозиции обоих состояний одновременно, что позволяет квантовым машинам решать определенные сложные задачи (например, моделирование молекул или факторизация больших чисел) намного быстрее. Однако для превосходства над суперкомпьютерами нужны миллионы кубитов, что, вероятно, потребует объединения многих квантовых компьютеров в сеть. Разработанная платформа с параллельным интерфейсом на основе резонаторных массивов открывает путь к такому масштабированию.

Исследователи уже представили массив из 40 резонаторов с атомами и прототип на 500 резонаторов, а в планах — создание систем на десятки тысяч элементов. В перспективе они видят квантовые дата-центры, в которых каждый квантовый компьютер будет оснащен сетевым интерфейсом в виде массива резонаторов. Это позволит объединять их в мощные квантовые суперкомпьютеры.

Достижение этой цели потребует решения серьезных инженерных задач, но потенциальные выгоды огромны, считают ученые. Можно рассчитывать на прорывы в материаловедении, химическом синтезе, криптографии, микроскопии и астрономии.

Международная команда физиков совершила недавно прорыв, преодолев вековой барьер оптической микроскопии — дифракционный предел, который не позволял свету фокусироваться в пятно меньше его длины волны и, тем самым, делал невозможным наблюдение отдельных атомов.