Künstliche Intelligenz-verbesserte Technik montiert fehlerfreie Arrays mit Tausenden von Atomen.

25. August 2025 Feature

Von Ingrid Fadelli, Phys.org

Beitragende Schriftstellerin

Bearbeitet von Gaby Clark, überprüft von Robert Egan

Wissenschaftlicher Redakteur

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Die Simulation von Quantensystemen und die Entwicklung von Systemen, die Rechnungen unter Nutzung quantenmechanischer Effekte durchführen können, hängen von der Fähigkeit ab, Atome in spezifischen Mustern mit hoher Präzision anzuordnen. Um Atome in geordneten Mustern, bekannt als Arrays, anzuordnen, verwenden Physiker normalerweise optische Pinzetten, hochfokussierte Laserstrahlen, die Partikel einfangen können.

Forscher der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas und des Shanghai Artificial Intelligence Laboratory haben kürzlich ein neues künstliche Intelligenz (KI)-gestütztes Protokoll vorgestellt, das die Anordnung von Tausenden von Atomen in Arrays erleichtern könnte, wobei sichergestellt wird, dass diese Arrays fehlerfrei sind (d.h. dass keine Atome fehlen).

Ihr vorgeschlagener Ansatz, der in einem Beitrag in Physical Review Letters vorgestellt wurde, korrigiert Arrays in Echtzeit blitzschnell mithilfe von Hologrammen (d.h. computergenerierten Licht-Hologrammen), die über ein Gerät namens Raummustermodulator projiziert werden, zusammen mit KI-Algorithmen, die die gleichzeitige Verschiebung aller gefangenen Atome in die gewünschten Positionen planen können.

„Unser ursprüngliches Interesse an neutralen Atomarrays begann tatsächlich mit dem grundlegenden Interesse am jahrhundertealten Einstein-Bohr-Debattenexperiment über den Rückstoß-Schlitz“, sagte Prof. Chao-Yang Lu, Co-Hauptautor des Beitrags, gegenüber Phys.org. „Vor etwa fünf Jahren begann unsere Suche, Einsteins Gedankenexperiment mit einem in drei Dimensionen auf den Grundzustand abgekühlten, einzelnen Pinzetten-trägierten Atom treu zu realisieren, der als quantenbegrenzter Rückstoßschlitz diente. Gleichzeitig erkannten wir auch das enorme Potenzial der Atomarrays als saubere und schöne Plattform für die Quantenberechnung.“

Ziel dieser jüngsten Studie war es, KI-Techniken mit der Quantenphysik zu kombinieren, um eine gut dokumentierte Herausforderung anzugehen, die bei der Montage von Atomarrays auftritt. Einer der Hauptermittler war Dr. Han-Sen Zhong, ein ehemaliger Student von Lu, der seinen Doktortitel an der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas absolvierte und am Shanghai AI Lab zu arbeiten begann.

„Wir erkennen, dass KI für die Wissenschaft als ein mächtiges Paradigma zur Bewältigung komplexer wissenschaftlicher Probleme entsteht, und haben diesbezüglich fortlaufende Diskussionen mit Han-Sen“, sagte Lu. „Dies führte uns dazu, KI zu verwenden, um eine der langjährigen Herausforderungen im Atomarray-Bereich zu lösen: wie man groß angelegte atomare Arrays effizient, schnell und skalierbar umarrangieren kann. Dies ist ein sehr gutes Beispiel für 'AI4Q' (KI für Quanten).“

Zhong, der zum Zeitpunkt der Studie ein Student in Lus Forschungsgruppe war, entwarf einen KI-gesteuerten Rahmen, der die gleichzeitige Verschiebung aller Atome in einem optischen Pinzetten-Array planen kann. In den Experimenten des Teams wurde das optische Pinzetten-Array mithilfe eines hochgeschwindigkeits-Raumlichtmodulators (SLM) erzeugt, einem Gerät, das ein Hologramm auf den einfallenden Laserstrahl prägen kann.

„Wir nutzen das KI-Modell, um die Hologramme für die Echtzeit-Umordnung von Atomen zu berechnen“, erklärte Zhong. „Mit präziser Kontrolle über sowohl die Position als auch die Phase des Pinzetten-Arrays werden alle Atome gleichzeitig verschoben. Experimentell haben wir einen fehlerfreien Aufbau von 2D- und 3D-Atomarrays mit bis zu 2024 Atomen in nur 60 Millisekunden demonstriert. Bemerkenswert ist, dass die Zeitkonstante unabhängig von der Arraygröße bleibt, was es ermöglicht, die Methode in Zukunft leicht auf 10.000 oder sogar 100.000 Atome zu skalieren.“

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Die von den Forschern vorgeschlagene Methode analysiert zufällig beladene Atom-Arrays und berechnet den optimalen Weg von sich in optischen Pinzetten befindenden Atomen zu Zielseiten, an denen Atome fehlen. Dieser Weg wird dann in eine Reihe von darunter liegenden Schritten unterteilt.

„Der gesamte Weg wird in N Schritte unterteilt, und für jeden kleinen Schritt verwenden wir ein KI-Modell, um das Hologramm für das SLM zu berechnen, wobei eine präzise Steuerung über sowohl die Position als auch die Phase des Pinzetten-Arrays erfolgt“, sagte Zhong. „In Echtzeit werden alle Atome gleichzeitig verschoben. Unsere Methode erreicht ein hohes Maß an Parallelität und damit eine schnelle und konstante Leistung in der Zeit.“

Ein charakteristisches Merkmal des Ansatzes des Teams zur Montage von fehlerfreien neutralen Atomarrays ist, dass er die parallele Bewegung aller Atome ermöglicht, um fehlerfreie Arrays zu erzeugen. Dies steht im Gegensatz zu zuvor eingeführten Methoden, bei denen die Atome stattdessen nacheinander bewegt werden.

'Wir haben eine schnelle und konstante Umordnung erreicht, unabhängig von der Array-Größe', sagte Lu.

Diese Studie könnte neue Möglichkeiten für die Realisierung von Quantensystemen eröffnen, die aus fehlerfreien Atomarrays bestehen. Diese Systeme könnten wiederum verwendet werden, um zuverlässig Quantensimulationen oder -berechnungen durchzuführen.

'Unser nächstes Ziel wird sein, Quantenfehlerkorrektur und fehlertolerantes Quantencomputing auf Basis atomarer Qubits zu demonstrieren', fügte Prof. Jian-Wei Pan, Mitautor des Papers, hinzu.

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Weitere Informationen: Rui Lin et al, KI-gestützte parallele Montage von Tausenden von fehlerfreien neutralen Atomarrays, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/2ym8-vs82. Auf arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2412.14647

Journalinformation: Physical Review Letters , arXiv

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