Computers met opgesloten ionen zijn kwantumcomputers waarin de qubits (kwantumeenheden van informatie) ionen zijn die worden gevangen door elektrische velden en worden gemanipuleerd met lasers. Om overspraak tussen nabije qubits te voorkomen, ontwerpen natuurkundigen en ingenieurs deze computers met behulp van twee verschillende soorten qubits.

Het gebruik van twee verschillende soorten qubits maakt uiteindelijk kwantumfoutverbindingen mogelijk en het creëren van kwantumnetwerken, die de overdracht van informatie in kwantumcomputers vergemakkelijken. Van de twee soorten qubits die worden gebruikt, slaat en verwerkt de ene kwantuminformatie en voert de andere aanvullende bewerkingen uit, zoals het verzamelen van foutsyndroommetingen of het uitvoeren van sympathische koeling en fotonische verstrengeling.

Tot nu toe gebruikten de meeste ingenieurs die computers met ingesloten ionen ontwikkelden twee verschillende soorten ionen als deze twee verschillende qubit-types. Onderzoekers van het Center for Quantum Information van de Tsinghua University hebben echter onlangs aangetoond dat twee verschillende qubit-types kunnen worden gemaakt met dezelfde soort ionen. Hun bevindingen, gepubliceerd in Nature Physics , zou interessante wegen kunnen openen voor het creëren van ingesloten ionenkwantumapparaten.

"In ion trap quantum computing, verstrooien hulpoperaties fotonen die de kwantuminformatie kunnen vernietigen die is opgeslagen in andere qubits, wat bekend staat als de overspraakfout," vertelde Luming Duan, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Voorheen moesten onderzoekers twee ionensoorten gebruiken om de twee soorten qubits, die verschillende overgangsfrequenties hebben, te coderen om de overspraakfout te onderdrukken. Het beheersen van meerdere ionensoorten wordt echter steeds moeilijker naarmate het systeem opschaalt, en het is ook onmogelijk om coherent om te zetten tussen twee soorten ionen."

Om de beperkingen van eerdere benaderingen van opgesloten ionenquantumcomputing te overwinnen, codeerden Duan en zijn collega's de twee verschillende soorten qubits in verschillende grondtoestandvariëteiten van dezelfde ionensoort, die geen overspraak tussen hen hadden. Het gebruik van deze qubits op basis van dezelfde ionensoort zou de fabricage van ingesloten ionenapparaten aanzienlijk kunnen vereenvoudigen, terwijl het ook meer controle over de qubits mogelijk maakt.

"We realiseerden de twee soorten qubits met behulp van twee paar langlevende energieniveaus (hyperfijne S-niveaus en hyperfijne F-niveaus) van het Yb-171-ion die ongevoelig zijn voor het magnetische veld in de omgeving), "zei Duan. "We converteren coherent tussen deze twee typen met behulp van smalbandige laserstralen via een paar tussenliggende niveaus (hyperfijne D-niveaus. De twee basistoestanden van de qubit worden gelijktijdig geconverteerd met dezelfde laser om de decoherentie te onderdrukken als gevolg van de faseruis van de laser."

Duan en zijn collega's evalueerden hun nieuw voorgestelde benadering van opgesloten ionenquantumcomputing in een eerste proof-of-principle-demonstratie. Deze demonstratie leverde opmerkelijke resultaten op, waarbij hun twee soorten qubits belangrijke bewerkingen uitvoerden met behoud van overspraak met aangrenzende qubits onder 0,06%.

"We demonstrate fast and high-fidelity coherent conversion between the two qubit types, and we demonstrate the required operations on one qubit type, including state preparation, detection, single-qubit gates and sympathetic laser cooling, with a crosstalk error on the other qubit type significantly below the threshold of fault-tolerant quantum computing," Duan said.

The recent study by this team of researchers introduces a new basic toolkit for effectively implementing the dual-type qubit scheme in trapped ion quantum computers using the same ion species. In the future, this toolkit could enable the implementation of large-scale ion trap quantum computers and quantum networks.

"We now plan to improve the conversion fidelity between the two qubit types, and then apply the dual-type qubit scheme to the multi-ion quantum computing setup with in-computation measurements and cooling," Duan added. "We also plan to apply the dual-type qubit scheme in ion-photon quantum network to suppress the crosstalk error." + Verder verkennen

Er is een verstrengelde toestand van drie qubits gerealiseerd in een volledig controleerbare reeks spin-qubits in silicium

© 2022 Science X Network