Natuurkundigen vermoeden al lang dat diëlektrische materialen ionenval-quantumcomputers aanzienlijk kunnen verstoren. Nutsvoorzieningen, onderzoekers onder leiding van Tracy Northup hebben voor het eerst een nieuwe methode ontwikkeld om deze foutbron te kwantificeren. Voor de toekomstige werking van kwantumcomputers met zeer veel kwantumbits, dergelijke geluidsbronnen moeten indien mogelijk al tijdens het ontwerpproces worden geëlimineerd.

Quantumtechnologieën zijn gebaseerd op kwantumeigenschappen van licht, elektronen, en atomen. In de afgelopen decennia, wetenschappers hebben geleerd deze fenomenen onder de knie te krijgen en te benutten in toepassingen. Dus, Ook de bouw van een kwantumcomputer voor commerciële toepassingen komt binnen handbereik. Een van de opkomende technologieën die momenteel zeer succesvol wordt ontwikkeld, zijn kwantumcomputers met ionenval. Hier, geladen deeltjes worden met elektromagnetische velden opgevangen in een vacuümkamer en zo geprepareerd dat ze kunnen dienen als dragers voor informatie en worden gebruikt voor computers, wat inhoudt dat ze worden gekoeld tot de laagste temperaturen die door de kwantummechanica zijn toegestaan.

Echter, de kwantummechanische eigenschappen die in dit proces worden benut, zijn zeer foutgevoelig. Zelfs de kleinste tekortkomingen kunnen de sterk gekoelde deeltjes opwarmen en daardoor leiden tot fouten in de verwerking van kwantuminformatie. Mogelijke bronnen van dergelijke fouten zijn zwak geleidende of niet-geleidende materialen, die worden gebruikt, bijvoorbeeld, als isolatoren in een metalen ionenvanger, of optica, die nodig zijn voor het koppelen van ionen met laserlicht.

"Zelfs voor ionenvallen die uitsluitend van metaal zijn gemaakt, oxidelagen op de metalen zouden dergelijke storingen veroorzaken, " legt Tracy Northup uit van de afdeling Experimentele Fysica van de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk. Het team van Northup, samen met medewerkers in Innsbruck en in de VS, hebben een manier gevonden om de invloed van diëlektrische materialen op de geladen deeltjes in ionenvallen te bepalen.

Experimenteel bevestigd

Dit werd bereikt omdat de kwantumfysici van Innsbruck een ionenval hebben waarin ze de afstand tussen de ionen en de diëlektrische optica nauwkeurig kunnen instellen. Op basis van een eerder voorstel van de groep van Rainer Blatt, de natuurkundigen berekenden de hoeveelheid ruis die door het diëlektrische materiaal voor deze ionenval werd veroorzaakt en vergeleken deze met gegevens uit experimenten. "Theorie en experiment komen heel goed overeen, bevestigen dat deze methode zeer geschikt is voor het bepalen van de invloed van diëlektrische materialen op de ionen, " legt Markus Teller van het team van Innsbruck uit. Om het geluid te berekenen, de zogenaamde fluctuatie-dissipatiestelling uit de statistische fysica werd gebruikt, die wiskundig de reactie beschrijft van een systeem in thermisch evenwicht op een kleine externe verstoring.

"In kwantumcomputers er zijn veel mogelijke geluidsbronnen, en het is erg moeilijk om de exacte bronnen te achterhalen, " zegt Tracy Northup. "Onze methode is de eerste die de invloed van diëlektrische materialen in een bepaalde ionenval op de geladen deeltjes kwantificeert. In de toekomst, ontwerpers van kwantumcomputers met ionenval kunnen dit effect veel nauwkeuriger beoordelen en hun apparaten ontwerpen om deze verstoringen te minimaliseren."

Nadat ze de methode met succes op hun eigen ionenval hadden gedemonstreerd, de natuurkundigen van Innsbruck willen het nu toepassen op de ionenvallen van medewerkers in de VS en Zwitserland.