En ny ionfælde til større kvantecomputere
Forskere ved ETH har formået at fange ioner ved hjælp af statiske elektriske og magnetiske felter og at udføre kvanteoperationer på dem. I fremtiden vil sådanne fælder kunne bruges til at realisere kvantecomputere med langt flere kvantebits, end det hidtil har været muligt.
Energitilstandene for elektroner i et atom følger kvantemekanikkens love:De er ikke kontinuerligt fordelt, men begrænset til visse veldefinerede værdier - dette kaldes også kvantisering. Sådanne kvantiserede tilstande er grundlaget for kvantebits (qubits), som videnskabsmænd ønsker at bygge ekstremt kraftige kvantecomputere med. Til det formål skal atomerne køles ned og fanges ét sted.
Stærk fangst kan opnås ved at ionisere atomerne, hvilket betyder at give dem en elektrisk ladning. Imidlertid siger en grundlæggende lov om elektromagnetisme, at elektriske felter, der er konstante i tid, ikke kan fange en enkelt ladet partikel. Ved at tilføje et oscillerende elektromagnetisk felt opnår man derimod en stabil ionfælde, også kendt som en Paul-fælde.
På den måde har det i de senere år været muligt at bygge kvantecomputere med ionfælder indeholdende omkring 30 qubits. Meget større kvantecomputere kan dog ikke ligefrem realiseres med denne teknik. De oscillerende felter gør det vanskeligt at kombinere flere sådanne fælder på en enkelt chip, og brugen af dem opvarmer fælden - et mere væsentligt problem, efterhånden som systemerne bliver større. I mellemtiden er transport af ioner begrænset til at passere langs lineære sektioner forbundet med kryds.
Ionfælde med et magnetfelt
Et team af forskere ved ETH Zürich ledet af Jonathan Home har nu demonstreret, at ionfælder, der egner sig til brug i kvantecomputere, også kan bygges ved hjælp af statiske magnetfelter i stedet for oscillerende felter. I de statiske fælder med et ekstra magnetfelt, kaldet Penning-fælder, blev både vilkårlig transport og de nødvendige operationer til fremtidens supercomputere realiseret. Forskerne har for nylig offentliggjort deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Nature .
"Traditionelt bruges Penning-fælder, når man vil fange rigtig mange ioner til præcisionsforsøg, men uden at skulle kontrollere dem individuelt," siger ph.d. studerende Shreyans Jain. "Derimod bruges Paul-fælder i de mindre kvantecomputere baseret på ioner."
ETH-forskernes idé om at bygge fremtidige kvantecomputere også ved hjælp af Penning-fælder blev oprindeligt mødt med skepsis af deres kolleger af forskellige årsager. Penning-fælder kræver ekstremt stærke magneter, som er meget dyre og ret omfangsrige.
Alle tidligere erkendelser af Penning-fælder havde også været meget symmetriske, noget som chip-skala-strukturerne brugt på ETH overtræder. At sætte eksperimentet inde i en stor magnet gør det vanskeligt at lede de laserstråler, der er nødvendige for at kontrollere qubits, ind i fælden, mens stærke magnetiske felter øger afstanden mellem energitilstandene af qubits. Dette gør igen kontrollasersystemerne meget mere komplekse:I stedet for en simpel diodelaser er der brug for flere faselåste lasere.
Transport i vilkårlige retninger
Home og hans samarbejdspartnere blev dog ikke afskrækket af disse vanskeligheder og konstruerede en Penning-fælde baseret på en superledende magnet og en mikrofabrikeret chip med flere elektroder, som blev produceret på Physikalisch-Technische Bundesanstalt i Braunschweig. Den anvendte magnet leverer et felt på 3 Tesla, næsten 100.000 gange stærkere end Jordens magnetfelt. Ved hjælp af et system af kryogenisk afkølede spejle lykkedes det Zürich-forskerne at kanalisere det nødvendige laserlys gennem magneten til ionerne.
Indsatsen gav pote:En enkelt fanget ion, som kan forblive i fælden i flere dage, kunne nu flyttes vilkårligt på chippen og forbinder punkter "i luftlinje" ved at styre de forskellige elektroder - dette var ikke tidligere muligt med gammel tilgang baseret på oscillerende felter. Da der ikke er behov for oscillerende felter til fældefangst, kan mange af disse fælder pakkes på en enkelt chip.
"Når de er ladet op, kan vi endda fuldstændig isolere elektroderne fra omverdenen og dermed undersøge, hvor kraftigt ionerne forstyrres af ydre påvirkninger," siger Tobias Sägesser, der var med i forsøget som ph.d. studerende.
Kohærent kontrol af qubit'en
Forskerne demonstrerede også, at qubit-energitilstandene for den fangede ion også kunne kontrolleres, mens kvantemekaniske superpositioner opretholdes. Kohærent kontrol fungerede både med de elektroniske (indre) tilstande af ionen og de (ydre) kvantiserede oscillationstilstande samt til at koble de interne og eksterne kvantetilstande. Sidstnævnte er en forudsætning for at skabe sammenfiltrede tilstande, som er vigtige for kvantecomputere.
Som et næste skridt ønsker Home at fange to ioner i nabo Penning-fælder på samme chip og dermed demonstrere, at kvanteoperationer med flere qubits også kan udføres. Dette ville være det definitive bevis på, at kvantecomputere kan realiseres ved hjælp af ioner i Penning-fælder. Professoren har også andre applikationer i tankerne. For eksempel, da ionerne i den nye fælde kan flyttes fleksibelt, kan de bruges til at sondere elektriske, magnetiske eller mikrobølgefelter nær overflader. Dette åbner mulighed for at bruge disse systemer som atomsensorer for overfladeegenskaber.
Flere oplysninger: Shreyans Jain et al., Penning mikrofælde til kvanteberegning, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07111-x
Leveret af ETH Zürich
Varme artikler
-
At opnå orden i det frustrerede landskab af uordnet magnetismeForskere fra Aarhus Universitet, Danmark, bruger neutronspredning på Oak Ridge National Laboratory til at udvikle en ny teknik til at analysere materialer, der udviser eksotiske typer af magnetisk adf -
Monolags overgangsmetal dichalcogenid linse til billedbehandling i høj opløsningSkematisk af femtosekundlaserfremstilling af et monolags TMDC -objektiv. Indsats:(i) AFM -billede af et enkeltlags TMDC -enkeltkrystal, og (ii) skematisk af femtosekund-laserinduceret frembringelse af -
Innovative smartphone-kamera tilpasningsbilleder melanom og ikke-melanomTo dermascope -implementeringer. Det USB-kamera-baserede PMSI- og PWLI-dermascope er vist i (a) og (b). (a) Forskellige komponenter i det håndholdte billeddannelsesmodul (USB -kameraet er skjult bag b -
Tilføjelse af hukommelse til trykfølsomme phosphorerSkematisk fremstilling af den eksperimentelle opsætning inkluderer en UV -excitationskilde, et motoriseret friktionstrin, en IR -laser og et digitalkamera. Kameraet, udeladt for at bevare klarheden, m