Wetenschappers van het Joint Quantum Institute (JQI) hebben de prestaties van ionenvangersystemen gestaag verbeterd, een toonaangevend platform voor toekomstige kwantumcomputers. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers onder leiding van JQI Fellows Norbert Linke en Christopher Monroe heeft een sleutelexperiment uitgevoerd op vijf op ionen gebaseerde kwantumbits, of qubits. Ze gebruikten laserpulsen om gelijktijdig kwantumverbindingen te maken tussen verschillende paren qubits - de eerste keer dat dit soort parallelle bewerkingen werden uitgevoerd in een ionenval. De nieuwe studie, wat een cruciale stap is in de richting van grootschalige kwantumberekening, werd op 24 juli gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

"Als het gaat om de schaalvereisten voor een kwantumcomputer, opgesloten ionen vink alle vakjes aan, " zegt Monroe, die ook de Bice-Sechi Zorn-professor is in de UMD-afdeling Natuurkunde en mede-oprichter van de quantum computing-startup IonQ. "Door deze parallelle operaties aan het werk te krijgen, wordt verder geïllustreerd dat de voortschrijdende kwantumprocessors van ionenvallen niet worden beperkt door de fysica van qubits en in plaats daarvan gebonden zijn aan het ontwerpen van hun controllers."

Ionenvallen zijn apparaten voor het vangen van geladen atomen en moleculen, en ze worden vaak ingezet voor chemische analyse. In de afgelopen decennia, natuurkundigen en ingenieurs hebben ionenvallen gecombineerd met geavanceerde lasersystemen om controle uit te oefenen over enkelvoudige atomaire ionen. Vandaag, dit type hardware is een van de meest veelbelovende voor het bouwen van een universele kwantumcomputer.

De JQI-ionenval die in dit onderzoek is gebruikt, is gemaakt van met goud beklede elektroden, die de elektrische velden dragen die ytterbium-ionen opsluiten. De ionen worden gevangen in het midden van de val waar ze een lijn vormen, elk gescheiden van zijn buurman door een paar micron. Deze opstelling stelt onderzoekers in staat om individuele ionen nauwkeurig te controleren en deze als qubits te configureren.

Elk ion heeft interne energieniveaus of kwantumtoestanden die van nature geïsoleerd zijn van invloeden van buitenaf. Deze functie maakt ze ideaal voor het opslaan en controleren van kwantuminformatie, die notoir delicaat is. In dit experiment, het onderzoeksteam gebruikt twee van deze toestanden, genaamd "0" en "1, " als de qubit.

De onderzoekers richten laserpulsen op een reeks qubits om programma's uit te voeren op deze kleinschalige kwantumcomputer. De programma's, ook wel circuits genoemd, worden opgesplitst in een reeks poorten met één en twee qubits. Een poort met één qubit kan, bijvoorbeeld, draai de toestand van een ion van 1 naar 0. Dit is een eenvoudige taak voor een laserpuls. Een poort met twee qubits vereist meer geavanceerde pulsen omdat het gaat om het afstemmen van de interacties tussen qubits. Bepaalde bewerkingen van twee qubits kunnen verstrengeling veroorzaken - een kwantumverbinding die nodig is voor kwantumberekeningen - tussen twee qubits.

Tot nu, circuits in ionenval-quantumcomputers zijn beperkt tot een reeks individuele poorten, de een na de ander. Met deze nieuwe demonstratie onderzoekers kunnen nu twee-qubit-poorten parallel doen, het creëren van verstrengeling tussen verschillende paren ionen tegelijk. Het onderzoeksteam heeft dit bereikt door de laserpulssequenties te optimaliseren die worden gebruikt om bewerkingen uit te voeren, ervoor te zorgen dat ongewenste laser-qubit-interacties worden geëlimineerd. Op deze manier, ze waren in staat om gelijktijdige verstrengelingspoorten op twee afzonderlijke ionenparen met succes te implementeren.

Volgens de auteurs is parallelle verstrengelingspoorten zullen programma's in staat stellen fouten te corrigeren tijdens een kwantumberekening - een vrijwel zeker vereiste in kwantumcomputers met veel meer qubits. In aanvulling, een kwantumcomputer die grote getallen berekent of kwantumfysica simuleert, zal waarschijnlijk parallelle verstrengelingsoperaties nodig hebben om een ​​snelheidsvoordeel te behalen ten opzichte van conventionele computers.