AI-verbeterde techniek assembleert foutloze arrays met duizenden atomen

25 augustus 2025 feature

door Ingrid Fadelli, Phys.org

medewerker schrijver

bewerkt door Gaby Clark, beoordeeld door Robert Egan

wetenschappelijke redacteur

associate redacteur

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de beleidslijnen van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

gefactcheckt

peer-reviewed publicatie

vertrouwde bron

gecorrigeerd

De simulatie van kwantumsystemen en de ontwikkeling van systemen die berekeningen kunnen uitvoeren met behulp van kwantumeffecten steunen op het vermogen om atomen in specifieke patronen met een hoge mate van precisie te rangschikken. Natuurkundigen gebruiken typisch optische pincetten, sterk gefocuste laserbundels die deeltjes kunnen vasthouden, om atomen te rangschikken in geordende patronen die bekend staan als arrays.

Onderzoekers aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China en het Shanghai Artificial Intelligence Laboratory introduceerden onlangs een nieuw protocol met kunstmatige intelligentie (AI) dat de rangschikking van duizenden atomen in arrays zou kunnen vergemakkelijken, terwijl ervoor wordt gezorgd dat deze arrays defectvrij zijn (dat wil zeggen, dat er geen missende atomen zijn).

Hun voorgestelde aanpak, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Physical Review Letters, corrigeert arrays in realtime met behulp van hologrammen (d.w.z. door de computer gegenereerde lichthologrammen) die worden geprojecteerd via een apparaat dat bekend staat als een ruimtelijke modulator, samen met AI-algoritmes die de gelijktijdige verplaatsing van alle gevangen atomen naar gewenste posities kunnen plannen.

'Onze initiële interesse in neutrale atomenarrays begon eigenlijk met de fundamentele interesse in het eeuw oude debat tussen Einstein en Bohr over het recoilerende-spleet gedachte-experiment,' vertelde Prof. Chao-Yang Lu, mede-seniorauteur van de paper, aan Phys.org. 'Onze zoektocht om Einstein's gedachte-experiment trouw uit te voeren met een enkele pincetgevangen atoom gekoeld tot de grondtoestand in drie dimensies als een kwantum-beperkt recoilerende-spleet begon ongeveer vijf jaar geleden. Ondertussen herkenden we ook het enorme potentieel van atomenarrays als een schone en mooie platform voor kwantumcomputing.'

Het doel van deze recente studie was om AI-technieken te combineren met de kwantumfysica om een goed gedocumenteerde uitdaging aan te pakken bij het assembleren van atomenarrays. Een van de hoofdonderzoekers was Dr. Han-Sen Zhong, een voormalige student van Lu die zijn Ph.D. had afgerond aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China en begonnen was te werken bij Shanghai AI Lab.

'We hebben opgemerkt dat AI voor Wetenschap opkomt als een krachtig paradigma om complexe wetenschappelijke problemen aan te pakken en hebben lopende discussies hierover met Han-Sen,' zei Lu. 'Dit leidde ons ertoe om AI te gebruiken om een van de langdurige uitdagingen in het atomenarray-veld op te lossen: hoe grote schaal atomenarrays op een efficiënte, snelle en schaalbare manier te herschikken. Dit is een heel mooi voorbeeld van 'AI4Q' (AI voor Quantum).'

Zhong, die destijds een student was in Lu's onderzoeksgroep, ontwierp een AI-gedreven raamwerk dat de gelijktijdige verplaatsing van alle atomen in een optische pincetarray kan plannen. In de experimenten van het team werd de optische pincetarray gegenereerd met behulp van een snel ruimtelijke lichtmodulator (SLM), een apparaat dat een hologram op de invallende laserbundel kan drukken.

'We gebruiken het AI-model om de hologrammen te berekenen voor realtime atoomherindeling,' legde Zhong uit. 'Met precieze controle over zowel de positie als de fase van de pincetarray, worden alle atomen tegelijkertijd verplaatst. Experimenteel hebben we de assemblage van defectvrije 2D- en 3D-atomenarrays met maximaal 2024 atomen gedemonstreerd in slechts 60 milliseconden. Merk op dat de tijdskosten constant blijven ongeacht de arraygrootte, waardoor de methode gemakkelijk schaalbaar is naar 10.000 of zelfs 100.000 atomen in de toekomst.'

Ontdek het laatste nieuws op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je nu aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en relevant onderzoek - dagelijks of wekelijks.

De voorgestelde methode van de onderzoekers analyseert willekeurig geladen atomenarrays en berekent het optimale pad van atomen geladen in optische pincetten naar doellocaties waar atomen ontbreken. Dit pad wordt vervolgens opgedeeld in een reeks onderliggende stappen.

'Het hele pad wordt opgedeeld in N stappen en voor elke kleine stap gebruiken we een AI-model om het hologram te berekenen voor de SLM, met precieze controle over zowel de positie als fase van de pincetarray,' aldus Zhong. 'In realtime worden alle atomen tegelijkertijd verplaatst. Onze methode bereikt een hoog niveau van parallelisme en daardoor een snelle en constante prestatie in tijd.'

Een kenmerkende eigenschap van de aanpak van het team voor het samenstellen van defectvrije neutrale atoomarrays is dat het de parallelle beweging van alle atomen mogelijk maakt om defectvrije arrays te produceren. Dit staat in contrast met eerder geïntroduceerde methoden, waarbij in plaats daarvan atomen in sequenties worden verplaatst.

'We hebben een snelle en constante herindeling bereikt, ongeacht de arraygrootte,' zei Lu.

Deze studie zou nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor de realisatie van kwantumsystemen bestaande uit defectvrije atoomarrays. Deze systemen zouden op hun beurt kunnen worden gebruikt om betrouwbaar kwantumsimulaties of berekeningen uit te voeren.

'Ons volgende doel zal zijn om kwantumfoutcorrectie en fouttolerante kwantumberekening te demonstreren op basis van atomaire qubits,' voegde prof. Jian-Wei Pan, mede-seniorauteur van het artikel toe.

Geschreven voor u door onze auteur Ingrid Fadelli, bewerkt door Gaby Clark, en gecontroleerd en beoordeeld door Robert Egan - dit artikel is het resultaat van zorgvuldig menselijk werk. We vertrouwen op lezers zoals u om onafhankelijke wetenschapsjournalistiek in leven te houden. Als deze berichtgeving belangrijk voor u is, overweeg dan een donatie (vooral maandelijks). U krijgt een advertentievrije account als dank.

Meer informatie: Rui Lin et al, Door AI-geactiveerde Parallelle Assemblage van Duizenden Defectvrije Neutrale Atoomarrays, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/2ym8-vs82. Op arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2412.14647

Tijdschrift informatie: Physical Review Letters , arXiv

© 2025 Science X Network