Van de vele uiteenlopende benaderingen voor het bouwen van een praktische kwantumcomputer, een van de meest veelbelovende paden leidt naar ionenvallen. In deze vallen enkele ionen worden stilgehouden en dienen als de basisgegevenseenheden, of qubits, van de computer. Met behulp van lasers, deze qubits werken met elkaar samen om logische bewerkingen uit te voeren.

Laboratoriumexperimenten met kleine aantallen ingesloten ionen werken goed, maar er is nog veel werk aan het uitzoeken van de basisonderdelen van een schaalbare kwantumcomputer met ionenval. Wat voor soort ionen moeten worden gebruikt? Welke technologieën zullen kunnen controleren, manipuleren, en de in die ionen opgeslagen kwantuminformatie uitlezen?

Om deze vragen te beantwoorden, Onderzoekers van het MIT Lincoln Laboratory hebben zich tot een veelbelovend paar gewend:ionen van calcium (Ca) en strontium (Sr). In een paper gepubliceerd in npj Quantum Information, het team beschrijft het gebruik van deze ionen om kwantumlogische bewerkingen uit te voeren en vindt ze gunstig voor meerdere kwantumcomputerarchitecturen. Onder hun voordelen, deze ionen kunnen worden gemanipuleerd met zichtbaar en infrarood licht, in tegenstelling tot ultraviolet, die nodig is voor veel soorten ionen die in experimenten worden gebruikt. In tegenstelling tot ultraviolet licht, technologie die zichtbaar en infrarood licht zou kunnen leveren aan een groot aantal ingesloten ionen, bestaat al.

"Wat voor soort kwantuminformatieverwerkingsarchitectuur is haalbaar voor ingesloten ionen? Als blijkt dat het veel moeilijker zal zijn om een ​​​​bepaalde ionensoort te gebruiken, het zou belangrijk zijn om vroeg te weten, voordat je dat pad ver inslaat, " zegt John Chiaverini, senior medewerkers van de Quantum Information and Integrated Nanosystems Group. "We geloven dat we geen heel nieuw ontwikkeld systeem hoeven uit te vinden, en niet een hele nieuwe groep problemen oplossen, het gebruik van deze ionensoorten."

Koud en berekenend

Om ionen op te vangen, wetenschappers beginnen met een stalen vacuümkamer, behuizing van elektroden op een chip die is gekoeld tot bijna 450 graden onder nul Fahrenheit. Ca- en Sr-atomen stromen de kamer in. Meerdere lasers slaan elektronen van de atomen, het omzetten van de Ca- en Sr-atomen in ionen. De elektroden wekken elektrische velden op die de ionen opvangen en ze 50 micrometer boven het oppervlak van de chip houden. Andere lasers koelen de ionen, ze in de val te houden.

Vervolgens, de ionen worden samengebracht om een ​​Ca+/Sr+-kristal te vormen. Elk type ion speelt een unieke rol in deze samenwerking. Het Sr-ion bevat de qubit voor berekening. Een probleem oplossen, een kwantumcomputer wil het energieniveau weten, of kwantumtoestand, van het buitenste elektron van een ion. Het elektron kan zich in zijn laagste energieniveau of grondtoestand bevinden (aangeduid), een hoger energieniveau of aangeslagen toestand (aangeduid), of beide staten tegelijk. Dit vreemde vermogen om tegelijkertijd in meerdere toestanden te zijn, wordt superpositie genoemd, en het is wat kwantumcomputers de kracht geeft om veel mogelijke oplossingen voor een probleem tegelijk uit te proberen.

Maar superpositie is moeilijk te handhaven. Zodra een qubit wordt waargenomen, bijvoorbeeld, door laserlicht te gebruiken om te zien op welk energieniveau zijn elektron zich bevindt - het stort in tot een één of nul. Om een ​​praktische kwantumcomputer te maken, wetenschappers moeten manieren bedenken om de toestanden van slechts een subset van de qubits van de computer te meten zonder het hele systeem te verstoren.

Deze behoefte brengt ons terug bij de rol van het Ca-ion - de helper-qubit. Met een vergelijkbare massa als het Sr-ion, het neemt extra energie weg van het Sr-ion om het koel te houden en het te helpen zijn kwantumeigenschappen te behouden. Laserpulsen duwen de twee ionen vervolgens in verstrengeling, vormt een poort waardoor het Sr-ion zijn kwantuminformatie kan overbrengen naar het Ca-ion.

"Als twee qubits verstrengeld zijn, hun toestanden zijn van elkaar afhankelijk. Ze zijn zogenaamd 'spookachtig gecorreleerd, '" zei Chiaverini. Deze correlatie betekent dat het uitlezen van de toestand van de ene qubit je de toestand van de andere vertelt. Om deze toestand uit te lezen, de wetenschappers ondervragen het Ca-ion met een laser op een golflengte waarmee alleen het elektron van het Ca-ion zal interageren, waardoor het Sr-ion onaangetast blijft. Als het elektron zich in de grondtoestand bevindt, zendt het fotonen uit, die worden verzameld door detectoren. Het ion blijft donker als het zich in een aangeslagen metastabiele toestand bevindt.

"Wat leuk is aan het gebruik van dit helper-ion om uit te lezen, is dat we golflengten kunnen gebruiken die geen invloed hebben op de computationele ionen eromheen; de kwantuminformatie blijft gezond. Dus, het helper-ion heeft een dubbele taak; het verwijdert thermische energie van het Sr-ion en heeft een lage overspraak als ik alleen die ene qubit wil uitlezen, " zegt Colin Bruzewicz, die het systeem heeft gebouwd en de experimenten heeft geleid.

De betrouwbaarheid van de Ca+/Sr+-verstrengeling in hun experiment was 94 procent. Fidelity is de kans dat de poort tussen de twee qubits de kwantumtoestand produceerde die verwacht werd - dat de verstrengeling werkte. De betrouwbaarheid van dit systeem is hoog genoeg om de basisfunctionaliteit van de kwantumlogica te demonstreren, maar nog niet hoog genoeg voor een volledig foutgecorrigeerde kwantumcomputer. Het team verstrengelde ook ionen in verschillende configuraties, zoals de twee ionen aan de uiteinden van een Sr+/Ca+/Sr+ string, met dezelfde trouw.

Een golflengte match

Momenteel, de opstelling van de ionenval is groot en choreografeert het gebruik van 12 verschillende kleuren lasers. Deze lasers stromen door ramen in de cryogene kamer en zijn bedoeld om de ionen te raken. Een praktische kwantumcomputer - een die problemen beter kan oplossen dan een klassieke computer - heeft een reeks van duizenden of zelfs miljoenen ionen nodig. In dat scenario, het zou praktisch onmogelijk zijn om precies de juiste ionen te raken zonder de kwantumtoestanden in naburige ionen te verstoren. Onderzoekers van Lincoln Laboratory hebben de afgelopen jaren gewerkt aan een manier om de lasers omhoog te brengen via "roosters" in de chip waar de ionen boven zweven. Deze geïntegreerde fotonische chip vereenvoudigt de installatie en zorgt ervoor dat de juiste laser het beoogde doel raakt. Vorig jaar, het team behaalde de allereerste succesvolle demonstratie van een low-loss, geïntegreerd fotonicaplatform met lichtlevering variërend van het zichtbare tot het infraroodspectrum.

handig, de golflengten die nodig zijn voor het koelen van Ca- en Sr-ionen, hen verstrikt, en het uitlezen ervan valt allemaal binnen ditzelfde spectrum. Deze overlap vereenvoudigt de laservereisten van het systeem, in tegenstelling tot andere paren van ionen die elk zeer verschillende golflengten vereisen. "Deze ionen lenen zich om te worden gebruikt met geïntegreerde fotonica. Ze komen overeen met de golflengten. Het is technisch logisch om ze te gebruiken, ' zegt Bruzewicz.

In aanvulling, veel soorten ingesloten ionen die kwantumwetenschappers onderzoeken, hebben ultraviolet licht nodig voor excitatie. Maar ultraviolet licht kan moeilijk zijn om mee te werken. Golfgeleiders en andere fotonische apparaten die het licht naar de ionen voeren, hebben de neiging om een ​​deel van het licht onderweg te verliezen. Het leveren van ultraviolet licht aan grootschalige systemen met ingesloten ionen zou veel meer vermogen vergen, of de engineering van nieuwe materialen die minder verlies ervaren.

"Het is veel eenvoudiger om met dit licht te werken dan met ultraviolet, vooral als je veel van deze ionen bij elkaar gaat voegen. Maar dat is de uitdaging - niemand weet eigenlijk wat voor soort architectuur kwantumberekening mogelijk maakt die nuttig is. De jury is er nog niet, " denkt Chiaverini na. "In dit geval, we denken na over wat het meest voordelig kan zijn om een ​​systeem op te schalen. Die ionen zijn daar heel vatbaar voor."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.