Voor de eerste keer, onderzoekers hebben een volledig verbonden 32-qubit-kwantumcomputerregister met ingesloten ionen ontworpen dat werkt bij cryogene temperaturen. Het nieuwe systeem is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van praktische kwantumcomputers.

Junki Kim van Duke University zal het nieuwe hardware-ontwerp presenteren op de inaugurele OSA Quantum 2.0-conferentie die zal plaatsvinden als een volledig virtueel evenement met OSA Frontiers in Optics en Laser Science APS/DLS (FiO + LS) conferentie 14-17 september .

In plaats van traditionele computerbits te gebruiken die alleen een nul of een één kunnen zijn, kwantumcomputers gebruiken qubits die zich in een superpositie van computationele toestanden kunnen bevinden. Hierdoor kunnen kwantumcomputers problemen oplossen die te complex zijn voor traditionele computers.

Trapped-ion-quantumcomputers behoren tot de meest veelbelovende soorten kwantumtechnologie voor kwantumcomputing, maar het was een uitdaging om deze computers te maken met voldoende qubits voor praktisch gebruik.

"In samenwerking met de Universiteit van Maryland, we hebben verschillende generaties volledig programmeerbare kwantumcomputers met ionenval ontworpen en gebouwd, "zei Kim. "Dit systeem is het nieuwste in de strijd waarbij veel van de uitdagingen die leiden tot betrouwbaarheid op de lange termijn direct worden aangepakt."

Kwantumcomputers opschalen

Kwantumcomputers met ingesloten ionen koelen ionen af ​​tot extreem lage temperaturen, waardoor ze kunnen worden opgehangen in een elektromagnetisch veld in een ultrahoog vacuüm en vervolgens worden gemanipuleerd met nauwkeurige lasers om qubits te vormen.

Zo ver, het bereiken van hoge rekenprestaties in grootschalige ionenvangsystemen werd belemmerd door de botsingen met achtergrondmoleculen die de ionenketen verstoren, instabiliteit van de laserstralen die de logische poorten aandrijven die door het ion worden gezien, en elektrische veldruis van de vangelektroden die de beweging van het ion in beweging brengen, vaak gebruikt om verstrengeling te creëren.

In het nieuwe werk Kim en collega's pakten deze uitdagingen aan door drastisch nieuwe benaderingen op te nemen. De ionen worden gevangen in een gelokaliseerde ultrahoogvacuümbehuizing in een cryostaat met gesloten cyclus die is gekoeld tot 4K-temperaturen, met minimale trillingen. Deze opstelling elimineert de verstoring van de qubit-keten als gevolg van botsingen met resterende moleculen uit de omgeving, en onderdrukt sterk de abnormale verwarming van het valoppervlak.

Om zuivere laserstraalprofielen te verkrijgen en fouten te minimaliseren, de onderzoekers gebruikten een fotonische kristalvezel om verschillende delen van het optische Raman-systeem met elkaar te verbinden dat qubit-poorten aanstuurt - de bouwstenen van kwantumcircuits. In aanvulling, de delicate lasersystemen die nodig zijn om de kwantumcomputers te bedienen, zijn ontworpen om van de optische tafel te worden gehaald en in instrumentenrekken te worden geïnstalleerd. De laserstralen worden vervolgens in single-mode optische vezels aan het systeem geleverd. Ze omarmden nieuwe manieren voor het ontwerpen en implementeren van optische systemen die mechanische en thermische instabiliteiten fundamenteel elimineren om een ​​kant-en-klare laseropstelling te creëren voor quantumcomputers met ingesloten ionen.

De onderzoekers hebben aangetoond dat het systeem in staat is om ion-qubit-ketens automatisch on-demand te laden, en kan eenvoudige qubit-manipulaties uitvoeren met behulp van microgolfvelden. Het team boekt stevige vooruitgang bij het implementeren van verstrengelingspoorten, op een manier die kan worden opgeschaald tot 32 qubits.

Bij toekomstig werk, en in samenwerking met computerwetenschappers en onderzoekers van kwantumalgoritmen, het team is van plan om hardwarespecifieke software te integreren met de quantumcomputerhardware met ingesloten ionen. Het volledig geïntegreerde systeem, samengesteld uit volledig verbonden qubits met ingesloten ionen en hardwarespecifieke software, zal een basis leggen voor praktische quantumcomputers met ingesloten ionen.