Η παγίδευση ιόντων με στατικά μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία αντί για ταλαντούμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο θα μπορούσε να διευκολύνει τη χρήση ιόντων ως δομικών στοιχείων για κβαντικούς υπολογιστές. Η νέα προσέγγιση, η οποία αναπτύχθηκε από ερευνητές στο ETH Zurich στην Ελβετία, επιτρέπει καλύτερο έλεγχο της κβαντικής κατάστασης και θέσης ενός ιόντος και σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς την κλιμάκωση των παγιδευμένων ιόντων ως πλατφόρμα για κβαντικούς υπολογισμούς.
Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να ξεπεράσουν τους κλασικούς σε ορισμένα προβλήματα. Η συνειδητοποίηση του πλήρους δυναμικού τους, ωστόσο, θα απαιτήσει μηχανές που μπορούν να χειριστούν περίπου 1 εκατομμύριο κβαντικά bit (qubits). Αυτό είναι τάξεις μεγέθους μεγαλύτερες από τους μεγαλύτερους κβαντικούς επεξεργαστές του σήμερα, και η κλιμάκωση είναι πρόκληση επειδή τα qubits γίνονται πιο δύσκολο να παραχθούν και να ελεγχθούν καθώς ο αριθμός τους αυξάνεται.
Για παράδειγμα, τα ιόντα που χρησιμοποιούνται ως qubits σε κβαντικούς επεξεργαστές παγιδευμένων ιόντων συνήθως διατηρούνται στη θέση τους από ηλεκτρομαγνητικά πεδία που ταλαντώνονται σε ραδιοσυχνότητες (RF) και οι κβαντικές τους καταστάσεις ελέγχονται και διαβάζονται με παλμούς φωτός λέιζερ. Αυτό λειτουργεί καλά για έως και 30 qubits, αλλά η κλιμάκωση σε υψηλότερους αριθμούς είναι δύσκολη. Ο συνδυασμός πεδίων ραδιοσυχνοτήτων στο μικρό χώρο ενός μεμονωμένου τσιπ είναι πρόκληση και τα πεδία θερμαίνουν επίσης την παγίδα, διαταράσσοντας την κβαντική συμπεριφορά των ιόντων. Ένα επιπλέον πρόβλημα είναι ότι η δομή των πεδίων RF περιορίζει τις θέσεις παγίδας σε ένα γραμμικό πλέγμα.
Παγίδες μαρκαρίσματος
Η ομάδα ETH αντιμετώπισε αυτά τα προβλήματα μεταβαίνοντας σε έναν τύπο παγίδας που χρησιμοποιείται παραδοσιακά για τον περιορισμό ιόντων για εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία ακριβείας και οι κβαντικές προσομοιώσεις. Αυτές οι λεγόμενες παγίδες Penning αντικαθιστούν τα πεδία ραδιοσυχνοτήτων με ισχυρά στατικά μαγνητικά πεδία, τα οποία εξαλείφουν τη θέρμανση και καταργούν τους περιορισμούς στη διαμόρφωση της παγίδας. Ωστόσο, τα ισχυρά μαγνητικά πεδία φέρνουν τις δικές τους προκλήσεις. Η παρουσία τους αυξάνει την απόσταση μεταξύ των ενεργειακών καταστάσεων των ιόντων, καθιστώντας πιο δύσκολο τον έλεγχο αυτών των καταστάσεων με φως από απλά, φθηνά λέιζερ διόδου. Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες που τους παράγουν είναι επίσης ογκώδεις και το φως λέιζερ πρέπει να καθοδηγείται γύρω τους.
Για να ξεπεράσουν αυτές τις προκλήσεις, οι ερευνητές του ETH κατασκεύασαν την παγίδα Penning τοποθετώντας ένα μικροκατασκευασμένο τσιπ (που παρήχθη από συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο Leibniz στο Αννόβερο της Γερμανίας) με πολλά ηλεκτρόδια μέσα σε έναν υπεραγώγιμο μαγνήτη 3 Tesla. Ένα σύστημα κατόπτρων καθοδηγεί τις δέσμες λέιζερ που κλειδώνονται με φάση μέσω του μαγνήτη στα ιόντα και ολόκληρη η διάταξη τοποθετείται σε κενό και ψύχεται κρυογονικά.
Είναι παγίδα!
Η νέα παγίδα ανταποκρίθηκε στις προσδοκίες, περιορίζοντας ένα μόνο ιόν για αρκετές ημέρες και παρέχοντας στους ερευνητές του ETH τον πλήρη έλεγχο της κίνησης και της θέσης του (βλ. εικόνα). Για να ελέγξει τη βιωσιμότητα του set-up για κβαντικούς υπολογισμούς, η ομάδα μέτρησε τον χρόνο συνοχής του ιόντος –δηλαδή το χρόνο που παραμένει σε κβαντική κατάσταση– και έδειξε ότι αυτός ήταν μεγαλύτερος από τον χρόνο που απαιτείται για την εκτέλεση μιας κβαντικής λειτουργίας. Έδειξαν επίσης ότι τα λέιζερ μπορούσαν να ελέγξουν τις ενεργειακές καταστάσεις του ιόντος χωρίς να διαταράξουν την κβαντική του υπέρθεση. Αυτή η ικανότητα καθιστά δυνατή τη δημιουργία μπερδεμένων καταστάσεων μεταξύ διαφορετικών qubits και επομένως την εκτέλεση κβαντικών υπολογισμών.
Το νέο qubit υπεραγώγιμης κοιλότητας ωθεί τα όρια της κβαντικής συνοχής
Πίτερ Ζόλερ, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ της Αυστρίας, ο οποίος δεν συμμετείχε σε αυτό το έργο, περιγράφει την παγίδα micro-Penning με εύκολη μεταφορά ιόντων ως μια «αναζωογονητική, καινοτόμο ιδέα». Προσθέτει ότι είναι υπέροχο να βλέπουμε καινοτομίες που χρησιμοποιούνται για παγιδευμένες συστοιχίες ουδέτερων ατόμων να εφαρμόζονται σε αρχιτεκτονικές παγιδευμένων ιόντων. Ωστόσο, επισημαίνει ότι οι δυνατότητες της παγίδας έχουν αποδειχθεί μέχρι στιγμής μόνο για ένα μόνο ιόν. Θα είναι ενδιαφέρον, λέει, να δούμε πώς κλιμακώνεται και αποδίδει (με τη μορφή πιστότητας πύλης) με πολλά ιόντα και πώς συγκρίνεται με εναλλακτικές προσεγγίσεις όπως επιφανειακές παγίδες ή κβαντικές πίστες αγώνων.
Jonathan Home, ο αρχηγός της ομάδας ETH, συμφωνεί ότι η προσθήκη περισσότερων ιόντων είναι σημαντική. Τα επόμενα βήματα, λέει κόσμος της φυσικής, θα είναι να «προσπαθήσετε να φορτώσετε πολλά ιόντα και να εκτελέσετε πύλες πολλαπλών qubit μεταξύ ιόντων σε ξεχωριστές θέσεις παγίδευσης».
Η έρευνα δημοσιεύεται στο Φύση.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://physicsworld.com/a/new-ion-trapping-approach-could-help-quantum-computers-scale-up/
