Qubits fremstillet af strontium- og calciumioner kan præcist styres af teknologi, der allerede findes

Af de mange forskellige tilgange til at opbygge en praktisk kvantecomputer, en af ​​de mest lovende veje fører til ionfælder. I disse fælder, enkeltioner holdes stille og fungerer som de grundlæggende dataenheder, eller qubits, af computeren. Ved hjælp af lasere, disse qubits interagerer med hinanden for at udføre logiske operationer.

Laboratorieforsøg med et lille antal fangede ioner fungerer godt, men der er meget arbejde tilbage med at finde ud af de grundlæggende dele af en skalerbar ion-trap-kvantecomputer. Hvilken form for ioner skal bruges? Hvilke teknologier vil kunne styre, manipulere, og læse de kvanteoplysninger, der er gemt i disse ioner?

Mod at besvare disse spørgsmål, MIT Lincoln Laboratory -forskere har vendt sig til et lovende par:ioner af calcium (Ca) og strontium (Sr). I et papir publiceret i npj Quantum Information, teamet beskriver at bruge disse ioner til at udføre kvantelogiske operationer og finder dem gunstige for flere kvanteberegningsarkitekturer. Blandt deres fordele, disse ioner kan manipuleres ved hjælp af synligt og infrarødt lys, i modsætning til ultraviolet, som er nødvendig for mange typer ioner, der bruges i forsøg. I modsætning til ultraviolet lys, teknologi, der ville være i stand til at levere synligt og infrarødt lys til en lang række fangede ioner, eksisterer allerede.

"Hvilken slags kvanteinformationsbehandlingsarkitektur er mulig for fangede ioner? Hvis det viser sig at være meget vanskeligere at bruge en bestemt ionart, det ville være vigtigt at vide tidligt, før du går langt ned ad den vej, "siger John Chiaverini, ledende medarbejdere i Quantum Information and Integrated Nanosystems Group. "Vi tror på, at vi ikke skal opfinde et helt nyt system, og ikke løse en helt ny gruppe af problemer, ved hjælp af disse ionarter. "

Koldt og kalkulerende

For at fange ioner, forskere starter med et stålvakuumkammer, huselektroder på en chip, der er afkølet til næsten 450 grader under nul Fahrenheit. Ca- og Sr -atomer strømmer ind i kammeret. Flere lasere banker elektroner fra atomerne, omdanne Ca- og Sr -atomerne til ioner. Elektroderne genererer elektriske felter, der fanger ionerne og holder dem 50 mikrometer over overfladen af ​​chippen. Andre lasere køler ionerne, fastholde dem i fælden.

Derefter, ionerne bringes sammen for at danne en Ca+/Sr+ krystal. Hver type ion spiller en unik rolle i dette partnerskab. Sr -ion huser qubit til beregning. For at løse et problem, en kvantecomputer ønsker at kende energiniveauet, eller kvantetilstand, af en ion yderste elektron. Elektronen kan være i sit laveste energiniveau eller jordtilstand (angivet), noget højere energiniveau eller ophidset tilstand (betegnet), eller begge stater på én gang. Denne mærkelige evne til at være i flere tilstande samtidigt kaldes superposition, og det er det, der giver kvantecomputere kraften til at prøve mange mulige løsninger på et problem på én gang.

Men superposition er svær at opretholde. Når først en qubit er observeret - f.eks. ved at bruge laserlys til at se, hvilket energiniveau dets elektron er i - det falder sammen til enten et et eller nul. For at lave en praktisk kvantecomputer, forskere er nødt til at udtænke måder at måle tilstande på kun en delmængde af computerens qubits uden at forstyrre hele systemet.

Dette behov bringer os tilbage til rollen som Caionen - hjælperens qubit. Med en masse svarende til Sr -ion, det tager ekstra energi fra Sr -ion for at holde det køligt og hjælpe det med at bevare dets kvanteegenskaber. Laserpulser skubber derefter de to ioner til sammenfiltring, danner en port, gennem hvilken Sr -ion kan overføre sin kvanteinformation til Ca -ion.

"Når to qubits er sammenfiltrede, deres stater er afhængige af hinanden. De er såkaldte 'uhyggeligt korrelerede, '"Sagde Chiaverini. Denne sammenhæng betyder, at aflæsning af tilstanden for den ene qubit fortæller dig den anden tilstand. For at læse denne tilstand op, forskerne forhører Ca -ion med en laser ved en bølgelængde, som kun Ca -ionens elektron vil interagere med, efterlader Sr -ion upåvirket. Hvis elektronen er i jordtilstand, vil den udsende fotoner, som indsamles af detektorer. Ionen forbliver mørk, hvis den er i en ophidset metastabil tilstand.

"Det gode ved at bruge denne hjælperion til at læse op er, at vi kan bruge bølgelængder, der ikke påvirker beregningsionerne omkring det; kvanteoplysningerne forbliver sunde. Så, hjælperionen udfører dobbelt pligt; det fjerner termisk energi fra Sr -ion og har lav krydstale, når jeg vil læse den ene qubit op, "siger Colin Bruzewicz, der byggede systemet og ledede eksperimenteringen.

Troværdigheden af ​​Ca+/Sr+ -filtringen i deres eksperiment var 94 procent. Troskab er sandsynligheden for, at porten mellem de to qubits frembragte den kvantetilstand, den forventedes at - at forviklingen virkede. Dette systems trofasthed er høj nok til at demonstrere den grundlæggende kvantelogiske funktionalitet, men endnu ikke høj nok til en fuldstændigt fejlkorrigeret kvantecomputer. Teamet indviklede også ioner i forskellige konfigurationer, såsom de to ioner i enderne af en Sr+/Ca+/Sr+streng, med lignende troskab.

En bølgelængde match

I øjeblikket, ion-trap opsætningen er stor og koreograferer brugen af ​​12 lasere i forskellige farver. Disse lasere strømmer gennem vinduer i det kryogene kammer og har til formål at ramme ionerne. En praktisk kvantecomputer - en der bedre kan løse problemer end en klassisk computer - har brug for en række tusinder eller endda millioner af ioner. I det scenario, det ville være praktisk umuligt at ramme præcis de rigtige ioner, uden at forstyrre kvantetilstandene i nabo -ioner. Lincoln Laboratory -forskere har i de sidste år arbejdet på at levere laserne op gennem "rist" i chippen, som ionerne svæver over. Denne integrerede-fotoniske chip både forenkler opsætningen og sikrer, at den rigtige laser rammer det tilsigtede mål. Sidste år, holdet opnåede den første nogensinde succesfulde demonstration af et lavt tab, integreret fotonisk platform med lyslevering lige fra det synlige til det infrarøde spektrum.

Praktisk, bølgelængderne, der kræves til afkøling af Ca- og Sr -ioner, blander dem, og læse dem alle falder inden for samme spektrum. Denne overlapning forenkler systemets laserkrav, i modsætning til andre ionerparringer, der hver især kræver vidt forskellige bølgelængder. "Disse ioner egner sig til at blive brugt med integreret fotonik. De er en bølgelængde -match. Det giver ingeniørmæssig mening at bruge dem, "Siger Bruzewicz.

Ud over, mange typer fangede ioner, som kvanteforskere udforsker, har brug for ultraviolet lys til excitation. Men ultraviolet lys kan være svært at arbejde med. Bølgeledere og andre fotoniske enheder, der bærer lyset til ionerne, har en tendens til at miste noget af lyset undervejs. Levering af ultraviolet lys til store fangst-ion-systemer ville kræve meget mere strøm, eller konstruktion af nye materialer, der oplever mindre tab.

"Det er meget enklere at arbejde med dette lys end det ultraviolette, især når du begynder at sætte mange af disse ioner sammen. Men det er udfordringen - ingen ved faktisk, hvilken slags arkitektur der vil muliggøre kvanteberegning, der er nyttig. Juryen er stadig ude, "Chiaverini afspejler." I dette tilfælde, vi overvejer, hvad der kan være mest fordelagtigt ved at skalere et system op. Disse ioner er meget modtagelige for det. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.