Grootschalige kwantumcomputers, die een actieve achtervolging zijn van vele universitaire laboratoria en technische reuzen, jaren weg blijven. Maar dat weerhoudt sommige wetenschappers er niet van om vooruit te denken, tot een tijd waarin kwantumcomputers aan elkaar gekoppeld kunnen zijn in een netwerk of een enkele kwantumcomputer kan worden opgesplitst over vele onderling verbonden knooppunten.

Een groep natuurkundigen aan de Universiteit van Maryland, werken met JQI Fellow Christopher Monroe, streven naar het tweede doel, proberen geïsoleerde modules van ingesloten atomaire ionen met licht te verbinden. Ze stellen zich veel modules voor, elk met een honderdtal ionen, aan elkaar gekoppeld om een ​​kwantumcomputer te vormen die inherent schaalbaar is:als je een grotere computer wilt, voeg eenvoudig meer modules toe aan de mix.

In een onlangs gepubliceerd artikel in Fysieke beoordelingsbrieven , Monroe en zijn medewerkers rapporteerden over het samenstellen van veel van de onderdelen die nodig waren om zo'n module te maken. Het bevat twee verschillende soorten ionen:een ytterbium-ion voor het opslaan van informatie en een barium-ion voor het genereren van licht dat communiceert met andere knooppunten.

Deze benadering met twee soorten isoleert de opslag- en communicatietaken van een netwerkknooppunt. Met een enkele soort, het manipuleren van het communicatie-ion met een laser kan het opslag-ion gemakkelijk beschadigen. In verschillende experimenten, de onderzoekers toonden aan dat ze de twee ionen met succes van elkaar konden isoleren, brengen informatie tussen hen over en vangen licht op dat door beide ionen wordt gegenereerd.

Het licht van het bariumcommunicatie-ion kan uiteindelijk via glasvezelkabels naar een herconfigureerbare sensor worden geleid. waar het licht van andere knooppunten zou ontmoeten. Om aan te tonen dat de module dit communicatielicht kan produceren, het team prikkelde het bariumion voorzichtig met een laser - liet het ytterbium-ion onaangeroerd - en ving het uitgestraalde licht op toen het verviel. Door zowel dit uitgezonden licht als het ion te observeren, het team stelde vast dat de twee verstrengeld waren, een vereiste als het licht berichten moet vervoeren in een kwantumnetwerk.

Het team bracht ook informatie over tussen de twee ionen, met behulp van hun wederzijdse elektrische druk en de resulterende beweging om de interne kwantumkenmerken van de ionen te vermengen. Lasers gebruiken om specifieke bewegingen op te wekken, het team liet zien hoe informatie van het ene ion naar het andere kan worden uitgewisseld en zelfs de twee ionen kunnen worden verstrengeld. Het verstrengelen van het opslag-ion met het communicatie-ion en het communicatie-ion met uitgaand licht zijn de belangrijkste ingrediënten die nodig zijn voor een knoop in een kwantumnetwerk.

Het gebruik van twee verschillende soorten bracht enkele uitdagingen met zich mee, Hoewel. Een probleem dat moest worden opgelost, was een mismatch in de maat. Omdat ionen elkaar een elektrische duw geven, ze wiebelen op een gecoördineerde manier wanneer ze naast elkaar in de val zitten. Maar ytterbium is zwaarder dan barium, het creëren van een mismatch in deze beweging die de snelheid vertraagt ​​waarmee informatie kan worden overgedragen van het ytterbium-geheugen naar de bariuminterface.

Door deze gekoppelde beweging te analyseren, het team realiseerde zich dat het gebruik van beweging langs de lijn die de twee ionen verbindt - iets dat doorgaans langzamer is omdat ionen niet zo strak in deze richting zijn opgesloten - de informatieoverdracht zou versnellen.

Het team heeft geheugenionen aan hun module toegevoegd sinds de experimenten die ze in dit werk rapporteren. Maar hun belangrijkste focus in de toekomst zal zijn om meer modules aan elkaar te verbinden, met als uiteindelijke doel een grootschalige, modulaire kwantumcomputer.