Ny ionkøleteknik kunne forenkle kvantecomputerenheder

Ionbevægelsen foregår i en fælde, der opretholdes af præcist styrede spændinger, der skaber et elektrisk potentiale mellem guldkontakter. Men at flytte et koldt atom fra den ene del af fælden er lidt som at flytte en skål med en marmor i bunden.

Når skålen holder op med at bevæge sig, skal marmoren blive stationær – ikke rulle rundt i skålen, forklarede Kenton Brown, en GTRI-hovedforsker, som har arbejdet med kvanteberegningsspørgsmål i mere end 15 år.

"Det er dybest set, hvad vi altid forsøger at gøre med disse ioner, når vi flytter det begrænsende potentiale, som er ligesom skålen, fra et sted til et andet i fælden," sagde han. "Når vi er færdige med at flytte det begrænsende potentiale til den endelige placering i fælden, ønsker vi ikke, at ionen bevæger sig rundt inde i potentialet."

Når den varme ion og den kolde ion er tæt på hinanden, finder en simpel energiudveksling sted, og den oprindelige kolde ion - nu opvarmet af dens interaktion med en computerion - kan spaltes og returneres til et nærliggende reservoir af afkølede ioner.

GTRI-forskerne har indtil videre demonstreret et to-ion proof-of-concept-system, men siger, at deres teknik er anvendelig til brugen af ​​flere computer- og køleioner og andre ionarter.

En enkelt energiudveksling fjernede mere end 96% af varmen - målt som 102(5) kvanter - fra computerionen, hvilket kom som en behagelig overraskelse for Brown, som havde forventet, at flere interaktioner kunne være nødvendige. Forskerne testede energiudvekslingen ved at variere starttemperaturen for de beregningsmæssige ioner og fandt ud af, at teknikken er effektiv uanset starttemperaturen. De har også vist, at energiudvekslingsoperationen kan udføres flere gange.

Varme - i det væsentlige vibrationsenergi - siver ind i det fangede ionsystem gennem både beregningsaktivitet og fra unormal opvarmning, såsom uundgåelig radiofrekvent støj i selve ionfælden. Fordi computerionen absorberer varme fra disse kilder, selvom den bliver afkølet, vil det kræve flere forbedringer at fjerne mere end 96 % af energien, sagde Brown.

Forskerne forestiller sig, at i et operativsystem vil afkølede atomer være tilgængelige i et reservoir ved siden af ​​QCCD-operationerne og holdes ved en konstant temperatur. Computerionerne kan ikke direkte laserkøles, fordi det ville slette de kvantedata, de har.

Overdreven varme i et QCCD-system påvirker kvanteportenes troskab negativt, hvilket introducerer fejl i systemet. GTRI-forskerne har endnu ikke bygget en QCCD, der bruger deres køleteknik, selvom det er et fremtidigt skridt i forskningen. Andet arbejde forude omfatter acceleration af afkølingsprocessen og undersøgelse af dens effektivitet ved afkølingsbevægelser langs andre rumlige retninger.

Den eksperimentelle komponent i det hurtige udvekslingsafkølingseksperiment blev styret af simuleringer udført for at forudsige, blandt andre faktorer, de veje, som ionerne ville tage på deres rejse i ionfælden. "Vi forstod bestemt, hvad vi ledte efter, og hvordan vi skulle gå frem for at opnå det baseret på den teori og simuleringer, vi havde," sagde Brown.

Den unikke ionfælde blev fremstillet af samarbejdspartnere på Sandia National Laboratories. GTRI-forskerne brugte computerstyrede spændingsgenereringskort, der var i stand til at producere specifikke bølgeformer i fælden, som har i alt 154 elektroder, hvoraf eksperimentet brugte 48. Forsøgene fandt sted i en kryostat, der blev holdt på omkring 4 grader Kelvin.

GTRI's Quantum Systems Division (QSD) undersøger kvantecomputersystemer baseret på individuelle fangede atomære ioner og nye kvantesensorenheder baseret på atomare systemer. GTRI-forskere har designet, fremstillet og demonstreret en række ionfælder og state-of-the-art komponenter til at understøtte integrerede kvanteinformationssystemer. Blandt de udviklede teknologier er evnen til præcist at transportere ioner derhen, hvor de er nødvendige.

"Vi har meget fin kontrol over, hvordan ionerne bevæger sig, den hastighed, hvormed de kan bringes sammen, det potentiale, de er i, når de er i nærheden af ​​hinanden, og den timing, der er nødvendig for at udføre eksperimenter som dette," sagde Fallek.

Andre GTRI-forskere involveret i projektet omfattede Craig Clark, Holly Tinkey, John Gray, Ryan McGill og Vikram Sandhu. Forskningen blev udført i samarbejde med Los Alamos National Laboratory.

Flere oplysninger: Spencer D. Fallek et al., Hurtig udvekslingskøling med fangede ioner, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45232-z

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Georgia Institute of Technology