Ny algoritme bruger et hologram til at kontrollere fangede ioner

Forskere har opdaget den mest præcise måde at kontrollere individuelle ioner ved hjælp af holografisk optisk ingeniørteknologi.

Den nye teknologi bruger den første kendte holografiske optiske konstruktionsenhed til at kontrollere fangede ion-qubits. Denne teknologi lover at hjælpe med at skabe mere præcise kontroller af qubits, der vil hjælpe udviklingen af ​​kvanteindustrispecifik hardware til at fremme nye kvantesimuleringseksperimenter og potentielt kvantefejlkorrektionsprocesser for fangede ion-qubits.

"Vores algoritme beregner hologrammets profil og fjerner eventuelle aberrationer fra lyset, som lader os udvikle en meget præcis teknik til programmering af ioner, " siger hovedforfatter Chung-You Shih, en ph.d. studerende ved University of Waterloo's Institute for Quantum Computing (IQC).

Kazi Rajibul Islam, et fakultetsmedlem ved IQC og i fysik og astronomi ved Waterloo er den ledende efterforsker på dette arbejde. Hans team har fanget ioner brugt i kvantesimulering i Laboratory for Quantum Information siden 2019, men havde brug for en præcis måde at kontrollere dem på.

En laser rettet mod en ion kan "tale" til den og ændre ionens kvantetilstand, danner byggestenene i kvanteinformationsbehandling. Imidlertid, laserstråler har aberrationer og forvrængninger, der kan resultere i en rodet, bredt fokuspunkt, hvilket er et problem, fordi afstanden mellem fangede ioner er et par mikrometer - meget smallere end et menneskehår.

Laserstråleprofilerne, som holdet ønskede at stimulere ionerne, skulle være præcist konstrueret. For at opnå dette tog de en laser, blæste dets lys op til 1 cm bredt og sendte det derefter gennem en digital mikrospejlenhed (DMD), som er programmerbar og fungerer som filmprojektor. DMD-chippen har spejle på to millioner mikron, som styres individuelt ved hjælp af elektrisk spænding. Ved at bruge en algoritme, som Shih udviklede, DMD-chippen er programmeret til at vise et hologrammønster. Lyset produceret fra DMD-hologrammet kan have sin intensitet og fase nøjagtigt kontrolleret.

Ved test, holdet har været i stand til at manipulere hver ion med det holografiske lys. Tidligere forskning har kæmpet med krydssnak, hvilket betyder, at hvis en laser fokuserer på en ion, lyset lækker på de omgivende ioner. Med denne enhed, holdet karakteriserer med succes aberrationerne ved hjælp af en ion som sensor. De kan derefter annullere aberrationerne ved at justere hologrammet og opnå den laveste krydstale i verden.

"Der er en udfordring ved at bruge kommercielt tilgængelig DMD-teknologi, Shih siger. "Dens controller er lavet til projektorer og UV-litografi, ikke kvanteforsøg. Vores næste skridt er at udvikle vores egen hardware til kvanteberegningseksperimenter."

Studiet, Omprogrammerbar og højpræcision holografisk optisk adressering af fangede ioner til skalerbar kvantekontrol, detaljer om forskernes arbejde offentliggjort i tidsskriftet npj Kvanteinformation .