Forskere på vej til at bygge en kraftfuld og praktisk kvantecomputer

For første gang, forskere har designet et fuldt tilsluttet 32-qubit fangede-ion kvantecomputerregister, der fungerer ved kryogene temperaturer. Det nye system repræsenterer et vigtigt skridt i retning af at udvikle praktiske kvantecomputere.

Junki Kim fra Duke University vil præsentere det nye hardwaredesign på den indledende OSA Quantum 2.0-konference, der skal samlokaliseres som en helt virtuel begivenhed med OSA Frontiers in Optics and Laser Science APS/DLS (FiO + LS) konference 14.-17. september .

I stedet for at bruge traditionelle computerbits, der kun kan være et nul eller et, kvantecomputere bruger qubits, der kan være i en superposition af beregningstilstande. Dette gør det muligt for kvantecomputere at løse problemer, der er for komplekse til traditionelle computere.

Trapped-ion kvantecomputere er blandt de mest lovende typer kvanteteknologi til kvanteberegning, men det har været udfordrende at skabe disse computere med nok qubits til praktisk brug.

"I samarbejde med University of Maryland, vi har designet og konstrueret flere generationer af fuldt programmerbare ionfælde kvantecomputere, " sagde Kim. "Dette system er det seneste i indsatsen, hvor mange af de udfordringer, der fører til langsigtet pålidelighed, tackles direkte."

Opskalering af kvantecomputere

Fangede-ion kvantecomputere afkøler ioner til ekstremt lave temperaturer, som tillader dem at blive suspenderet i et elektromagnetisk felt i et ultrahøjt vakuum og derefter manipuleret med præcise lasere til at danne qubits.

Så langt, opnåelse af høj beregningsmæssig ydeevne i store ionfældesystemer er blevet hæmmet af kollisioner med baggrundsmolekyler, der forstyrrer ionkæden, ustabilitet af laserstrålerne, der driver de logiske porte set af ionen, og elektrisk feltstøj fra indfangningselektroderne, der agiterer ionernes bevægelse, bruges ofte til at skabe sammenfiltring.

I det nye værk, Kim og kollegaer tog fat på disse udfordringer ved at inkorporere dramatisk nye tilgange. Ionerne er fanget i et lokaliseret ultra-højvakuum-indkapsling inde i en lukket cyklus kryostat afkølet til 4K temperaturer, med minimale vibrationer. Dette arrangement eliminerer forstyrrelsen af ​​qubit-kæden som følge af kollisioner med resterende molekyler fra miljøet, og undertrykker kraftigt den unormale opvarmning fra fældens overflade.

For at opnå rene laserstråleprofiler og minimere fejl, forskerne brugte en fotonisk krystalfiber til at forbinde forskellige dele af det optiske Raman-system, der driver qubit-porte - byggestenene i kvantekredsløb. Ud over, de sarte lasersystemer, der er nødvendige for at betjene kvantecomputere, er konstrueret til at blive taget af det optiske bord og installeret i instrumentstativer. Laserstrålerne leveres derefter til systemet i single-mode optiske fibre. De omfavnede nye måder at designe og implementere optiske systemer på, der fundamentalt eliminerer mekaniske og termiske ustabiliteter for at skabe en nøglefærdig laseropsætning til fangede ion kvantecomputere.

Forskerne har påvist, at systemet er i stand til at automatisere on-demand-belastning af ion-qubit-kæder, og kan udføre simple qubit-manipulationer ved hjælp af mikrobølgefelter. Holdet gør solide fremskridt med at implementere indviklede porte, på en måde, der kan skalere op til hele 32 qubits.

I det fremtidige arbejde, og i samarbejde med dataloger og kvantealgoritmeforskere, holdet planlægger at integrere hardware-specifik software med fangede-ion kvantecomputer-hardware. Det fuldt integrerede system, sammensat af fuldt forbundne fangede-ion-qubits og hardware-specifik software, vil lægge et fundament for praktiske fangede-ion kvantecomputere.