Ioner rydder endnu en hindring mod opskaleret kvanteberegning

Forskere ved Joint Quantum Institute (JQI) har støt forbedret ydefældersystemers ydeevne, en førende platform for fremtidige kvantecomputere. Nu, et team af forskere under ledelse af JQI Fellows Norbert Linke og Christopher Monroe har udført et nøgleeksperiment på fem ionbaserede kvantebits, eller qubits. De brugte laserpulser til samtidig at oprette kvanteforbindelser mellem forskellige par qubits - første gang denne slags parallelle operationer er blevet udført i en ionfælde. Den nye undersøgelse, hvilket er et kritisk skridt i retning af storskala kvanteberegning, blev offentliggjort den 24. juli i tidsskriftet Natur .

"Når det kommer til skaleringskravene til en kvantecomputer, fangede ioner markerer alle boksene, "siger Monroe, som også er professor Bice-Sechi Zorn i UMD Department of Physics og medstifter af quantum computing startup IonQ. "At få disse parallelle operationer til at fungere illustrerer yderligere, at fremskridt med ionfælde -kvanteprocessorer ikke er begrænset af qubits fysik og i stedet er bundet til at konstruere deres controllere."

Ionfælder er enheder til at fange ladede atomer og molekyler, og de bruges normalt til kemisk analyse. I de seneste årtier har fysikere og ingeniører har kombineret ionfælder med sofistikerede lasersystemer for at udøve kontrol over enkeltatomioner. I dag, denne type hardware er en af ​​de mest lovende til opbygning af en universel kvantecomputer.

JQI-ionfælden, der bruges i denne undersøgelse, er fremstillet af guldbelagte elektroder, som bærer de elektriske felter, der begrænser ytterbiumioner. Ionerne fanges i midten af ​​fælden, hvor de danner en linje, hver adskilt fra sin nabo med et par mikron. Denne opsætning gør det muligt for forskere at have fin kontrol over individuelle ioner og konfigurere dem som qubits.

Hver ion har interne energiniveauer eller kvantetilstande, der naturligt er isoleret fra påvirkninger udefra. Denne funktion gør dem ideelle til lagring og styring af kvanteinformation, hvilket er notorisk sart. I dette eksperiment, forskergruppen bruger to af disse tilstande, kaldet "0" og "1, "som qubit.

Forskerne retter laserpulser mod en række qubits for at udføre programmer på denne lille kvantecomputer. Programmerne, også kaldet kredsløb, er opdelt i et sæt enkelt- og to-qubit porte. En enkelt-qubit port kan, for eksempel, vende tilstanden for en ion fra 1 til 0. Dette er en ligetil opgave for en laserpuls. En to-qubit gate kræver mere sofistikerede impulser, fordi det indebærer at skræddersy interaktionerne mellem qubits. Visse to-qubit-operationer kan skabe sammenfiltring-en kvanteforbindelse, der er nødvendig til kvanteberegning-mellem to qubits.

Indtil nu, kredsløb i ionfangerkvantecomputere har været begrænset til en sekvens af individuelle porte, den ene efter den anden. Med denne nye demonstration, forskere kan nu lave to-qubit porte parallelt, skabe sammenfiltring mellem forskellige par ioner samtidigt. Forskerteamet opnåede dette ved at optimere laserpulssekvenserne, der bruges til at udføre operationer, sørg for at annullere uønskede laser-qubit-interaktioner. På denne måde, de var i stand til at implementere samtidige sammenfiltrede porte på to separate ionpar.

Ifølge forfatterne, parallelle sammenfiltrede porte vil sætte programmer i stand til at rette fejl under en kvanteberegning-et næsten sikkert krav i kvantecomputere med mange flere qubits. Ud over, en kvantecomputer, der faktoriserer store tal eller simulerer kvantefysik, vil sandsynligvis have brug for parallelle sammenfiltringsoperationer for at opnå en hastighedsfordel i forhold til konventionelle computere.