In recente jaren, onderzoeksteams over de hele wereld proberen kwantumcomputers met ingesloten ionen te maken, die tot nu toe hebben bewezen een van de meest veelbelovende systemen te zijn voor praktische implementaties van kwantumcomputers. Op deze computers gevangen ionen dienen als kwantumbits die verstrengeld zijn om geavanceerde berekeningen uit te voeren.

Op een zoektocht om schaalbare quantumcomputers met ingesloten ionen te ontwikkelen, onderzoekers van de Universiteit van Oxford hebben onlangs een twee-qubit verstrengelingspoort tussen twee verschillende atomaire elementen geïmplementeerd, calcium en strontium. In hun studie hebben te zien in Fysieke beoordelingsbrieven , ze gebruikten een poortmechanisme waarvoor slechts een enkele laser nodig was, die ze eerder hadden getest op twee verschillende calciumisotopen.

Een van de grootste uitdagingen bij de ontwikkeling van quantumcomputers met ingesloten ionen is schaalbaarheid (d.w.z. manieren vinden om benaderingen toe te passen die veelbelovende resultaten behaalden op enkele qubits tot duizenden of zelfs miljoenen qubits). In feite, het simpelweg toevoegen van nieuwe qubits aan een kwantumcomputersysteem resulteert vaak in een snelle afname van de prestaties, omdat het nieuwe fouten introduceert en het moeilijker maakt om met een enkele qubit te communiceren zonder enkele van de andere te beïnvloeden.

Om deze uitdaging te overwinnen, het onderzoeksteam van de Universiteit van Oxford gebruikte twee methoden die bekend staan ​​als modularisatie en optische netwerken. Eigenlijk, hun doel was om ionen in afzonderlijke ionenvallen en vacuümsystemen te hebben, die alleen via optische vezels zijn verbonden.

Deze benadering beperkt overspraak tussen qubits, alleen interacties behouden die wenselijk zijn en kunnen worden gecontroleerd door de onderzoekers. Dit betekent dat zodra een goed werkend systeem is geïdentificeerd, meer van hetzelfde kan worden toegevoegd, omdat nieuwe geen invloed hebben op de algehele prestaties.

“Voor deze aanpak maar ook andere strategieën om de schaalbaarheid te verbeteren, het gebruik van verschillende ionensoorten is erg handig, " Vera M. Schäfer, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Allereerst, omdat verschillende ionen verschillende sterke en zwakke punten hebben. Bijvoorbeeld, we gebruiken één ionsoort die een zeer goed geheugen en logisch ion is - dat betekent dat het informatie voor een zeer lange tijd kan opslaan (50s vergeleken met tientallen milliseconden voor 'normale' opgesloten ionenqubits), en we krijgen zeer kleine fouten bij het uitvoeren van berekeningen met deze ionensoort; de andere soort is veel beter (en sneller) in het koppelen aan fotonen. Ten tweede, omdat een probleem met ingesloten ionen is dat ze langzaam opwarmen na verloop van tijd. Als we twee verschillende soorten hebben, we kunnen de tweede soort gebruiken om de ionen te koelen tijdens een berekening, wat het verwarmingsprobleem vermindert."

Om verschillende soorten te gebruiken voor het realiseren van quantum computing-toepassingen met ingesloten ionen, onderzoekers moeten informatie kunnen uitwisselen tussen deze soorten. Dit kan worden gedaan door een zogenaamde twee-qubit-poort te produceren.

In een van hun eerdere studies, Schäfer, Amy Hughes en haar collega's hebben met succes een poort van twee qubits uitgevoerd tussen verschillende calciumisotopen. Het implementeren van zo'n poort tussen totaal verschillende atomaire elementen, echter, zou veel handiger zijn. Dit komt omdat verschillende elementen zeer verschillende kenmerken hebben en verschillende overgangsfrequenties vertonen.

Als resultaat, bij het uitvoeren van een operatie op één soort met behulp van lasertechnologie, de andere soorten zouden volledig onaangetast blijven. Tegelijkertijd, echter, aangezien de twee elementen ook verschillende massa's kunnen hebben, het beheersen van hun beweging kan veel gecompliceerder zijn.

"In ons vorige werk, we voerden de poort uit op twee verschillende isotopen van calcium met een enkele laser, wat een vrij natuurlijke beslissing was omdat de meeste overgangsfrequenties nog steeds vrij dicht bij elkaar liggen in verschillende isotopen, " zei Schäfer. "Echter, we merkten dat voor strontium, het element dat het meest geschikt is om samen met calcium te gebruiken, de overgangsfrequenties liggen niet zo ver uit elkaar, en [we dachten] dat we misschien hetzelfde schema konden gebruiken dat werkte voor verschillende isotopen voor verschillende elementen."

De overeenkomst tussen de overgangsfrequenties van calcium en strontium vereenvoudigde het probleem aanzienlijk, waardoor de onderzoekers uiteindelijk hogere getrouwheden konden bereiken dan die werden bereikt bij het produceren van andere poorten met gemengde elementen. Hun succesvolle implementatie van een poort voor gemengde soorten zou een belangrijke stap voorwaarts kunnen zijn in de realisatie van grootschalige kwantumcomputers, terwijl het onderzoekers ook in staat stelt om tegelijkertijd gebruik te maken van de eigenschappen van twee verschillende elementen.

"Het basisidee achter gevangen ionenverstrengelde poorten is om een ​​correlatie te creëren tussen de qubit-toestanden van de ionen via hun beweging, die sterk gekoppeld is omdat ze elkaar afstoten vanwege hun lading, " zei Schäfer. "Laserlicht kan de beweging van de ionen koppelen en, bijvoorbeeld, duw ze in een bepaalde richting. We kunnen laserlicht toepassen dat anders koppelt aan ionen in tegengestelde qubittoestanden, bijv. het zal een ion in staat duwen |1> , maar trek een ion in staat |0> . Dus, voor sommige qubit-toestandscombinaties wordt de gemeenschappelijke beweging geannuleerd en voor andere verbeterd, en dat kunnen we gebruiken om verstrengeling te creëren."

Veel onderzoekers die eerder twee-qubit verstrengelingspoorten met gemengde soorten implementeerden, gebruikten verschillende lasers om verschillende elementen te manipuleren. Om dit te doen, echter, de onderzoekers moeten ervoor zorgen dat de twee lasers goed gesynchroniseerd en gekalibreerd zijn, zodat ze een vergelijkbaar effect hebben op de twee verschillende ionensoorten.

Schäfer, Hughes en hun collega's, anderzijds, slechts een enkele laser gebruikt. Dit betekent dat hoewel ze het niet op een bepaalde manier hoefden te synchroniseren, ze hadden ook minder vrijheidsgraden beschikbaar voor kalibratie en moesten een positie identificeren die het mogelijk zou maken om beide soorten op een vergelijkbare manier te koppelen. Omdat kristallen van gemengde soorten gevoeliger zijn voor bepaalde externe effecten (bijv. verdwaalde elektrische velden), de onderzoekers moesten tijdens de kalibratie voorzichtiger zijn dan bij het implementeren van een poort voor één soort.

"De poort werd geïmplementeerd met behulp van een paar laserstralen (op ongeveer 402 nm), die kunnen koppelen aan en tegelijkertijd de beweging van zowel calcium als strontium kunnen opwekken, " legt Schäfer uit. "We hebben drie verschillende methoden gebruikt om de poortprestaties te karakteriseren:het meten van de uitgangsstatus na een enkele poort en deze te vergelijken met de ideale uitvoer; het uitvoeren van een reeks poorten vergelijkbaar met een algoritme met en zonder onze poort te verweven en de grootte van fouten tussen de twee te vergelijken; en lopende reeksen die verschillende soorten fouten verbeteren om de aard van onze foutbronnen te karakteriseren."

Om de prestaties van hun poort te evalueren, de onderzoekers gebruikten drie methoden die bekend staan ​​​​als partiële tomografie, gerandomiseerde benchmarking en gate-set tomografie. Gedeeltelijke-toestandtomografie bestaat uit het implementeren van een enkele poort en vervolgens het meten van de uitvoerstatus.

"Dit is de eenvoudigste en meest gebruikte methode, "Zegt Schäfer. "Omdat we gemiddeld maar in twee op de 1 een fout krijgen, 000 poorten, we moeten dit vele malen doen om een ​​nauwkeurige schatting van de poortfout te krijgen, en het is moeilijker om onderscheid te maken tussen hoeveel fouten werden veroorzaakt door de poort zelf en hoeveel door de uitlezing van de eindtoestand, vergeleken met de tweede methode die we gebruikten."

Gerandomiseerde benchmarking, de tweede evaluatiestrategie die door Schäfer wordt gebruikt, Hughes en hun collega's, omvat de implementatie van verschillende opeenvolgende poorten terwijl er verschillende soorten poorten tussen worden geplaatst om de invoerstatus continu te veranderen, waarna elke poort wordt aangebracht. Vervolgens, de onderzoekers vergeleken de fout tussen alleen deze willekeurige reeks en een reeks waarbij hun poort met tussenpozen tussen de willekeurige poorten werd geïntroduceerd.

"Gerandomiseerde benchmarking is beter geschikt om zeer kleine fouten te meten, omdat we veel poortoperaties uitvoeren voordat we de eindstatus uitlezen, en het resultaat is meer vergelijkbaar met de verwachte prestaties in een echt algoritme, ’ zei Schäfer.

Eindelijk, poort vastgestelde tomografie, de laatste methode die de onderzoekers gebruikten om hun poort te evalueren, probeert fouten te kwantificeren en te karakteriseren die worden geproduceerd wanneer een poort wordt geïmplementeerd. Om dit te doen, het produceert sequenties die zijn ontworpen om het effect van specifieke soorten fouten te vergroten om de totale hoeveelheid fouten van elk type te kwantificeren. De informatie die wordt verkregen door het gebruik van deze techniek is nuttig voor theoretici die proberen efficiëntere foutcorrectieschema's te ontwikkelen.

"Ik denk dat werk met verschillende soorten soms de reputatie heeft behoorlijk complex en moeilijk te zijn en moeilijk om goed te doen, " zei Schäfer. "Ons werk toonde aan dat door het juiste schema te kiezen, we kunnen poorten van gemengde soorten bijna net zo goed uitvoeren als poorten van één soort. Er zijn ook een paar dingen waar je je in eerste instantie zorgen over kunt maken, dat bleek totaal niet relevant in deze regeling."

De recente studie van Schäfer, Hughes en hun collega's zouden uiteindelijk kunnen bijdragen aan het creëren van nieuwe benaderingen voor quantumcomputing met gevangen ionen die gemakkelijker kunnen worden opgeschaald. In de toekomst, het kan ook dienen als inspiratie voor andere onderzoeksgroepen die proberen verstrengelingspoorten voor gemengde soorten te implementeren, wat aanwijzingen hoe u dit het beste kunt bereiken.

"We testen nu een ander verstrikt poortmechanisme van gemengde soorten, en hun voordelen willen vergelijken, nadelen en vereisten om de beste regeling voor de gegeven omstandigheden te kunnen kiezen, "Zei Schäfer. "We willen deze poort voor gemengde soorten ook implementeren in ons ion-foton-verstrengelingsexperiment, om het gebruik ervan te demonstreren voor het bouwen van een schaalbare quantumcomputer met gevangen ionen en deze te gebruiken om verstrengelingsdestillatie uit te voeren."

© 2020 Wetenschap X Netwerk