Onderzoekers hebben de meest nauwkeurige manier ontdekt om individuele ionen te controleren met behulp van holografische optische engineeringtechnologie.

De nieuwe technologie maakt gebruik van het eerste bekende holografische optische technische apparaat om ingesloten ionenqubits te controleren. Deze technologie belooft te helpen bij het creëren van nauwkeurigere controles van qubits die de ontwikkeling van kwantumindustriespecifieke hardware zullen helpen om nieuwe kwantumsimulatie-experimenten en mogelijk kwantumfoutcorrectieprocessen voor ingesloten ionenqubits te bevorderen.

"Ons algoritme berekent het profiel van het hologram en verwijdert eventuele aberraties uit het licht, waarmee we een zeer nauwkeurige techniek kunnen ontwikkelen voor het programmeren van ionen, " zegt hoofdauteur Chung-You Shih, een doctoraat student aan het Institute for Quantum Computing (IQC) van de Universiteit van Waterloo.

Kazi Rajibul Islam, een faculteitslid bij IQC en in natuurkunde en astronomie bij Waterloo is de hoofdonderzoeker van dit werk. Zijn team vangt sinds 2019 ionen op die worden gebruikt in kwantumsimulatie in het Laboratorium voor Kwantuminformatie, maar had een precieze manier nodig om ze te beheersen.

Een laser gericht op een ion kan ermee "praten" en de kwantumtoestand van het ion veranderen, vormen de bouwstenen van de verwerking van kwantuminformatie. Echter, laserstralen hebben aberraties en vervormingen die kunnen resulteren in een rommelige, brede focusvlek, wat een probleem is omdat de afstand tussen opgesloten ionen enkele micrometers is - veel smaller dan een mensenhaar.

De laserstraalprofielen die het team de ionen wilde stimuleren, moesten nauwkeurig worden ontworpen. Om dit te bereiken namen ze een laser, blies het licht tot 1 cm breed en stuurde het vervolgens door een digitaal microspiegelapparaat (DMD), die programmeerbaar is en functioneert als een filmprojector. De DMD-chip heeft spiegels van twee miljoen micron die afzonderlijk worden aangestuurd met elektrische spanning. Met behulp van een algoritme dat Shih ontwikkelde, de DMD-chip is geprogrammeerd om een ​​hologrampatroon weer te geven. Het licht dat door het DMD-hologram wordt geproduceerd, kan de intensiteit en fase precies regelen.

Bij het testen, het team heeft elk ion kunnen manipuleren met het holografische licht. Eerder onderzoek worstelde met overspraak, wat betekent dat als een laser op één ion focust, het licht lekt op de omringende ionen. Met dit apparaat, het team karakteriseert met succes de aberraties met behulp van een ion als sensor. Ze kunnen dan de aberraties opheffen door het hologram aan te passen en de laagste overspraak ter wereld te verkrijgen.

"Het gebruik van commercieel beschikbare DMD-technologie is een uitdaging, " zegt Shih. "De controller is gemaakt voor projectoren en UV-lithografie, geen kwantumexperimenten. Onze volgende stap is het ontwikkelen van onze eigen hardware voor experimenten met kwantumberekeningen."

De studie, Herprogrammeerbare en zeer nauwkeurige holografische optische adressering van ingesloten ionen voor schaalbare kwantumcontrole, beschrijft het werk van de onderzoekers dat in het tijdschrift is gepubliceerd npj Quantum-informatie .