Wetenschap
Een nieuwe ionenval voor grotere kwantumcomputers
Onderzoekers van ETH zijn erin geslaagd ionen op te vangen met behulp van statische elektrische en magnetische velden en er kwantumbewerkingen op uit te voeren. In de toekomst zouden dergelijke vallen kunnen worden gebruikt om kwantumcomputers te realiseren met veel meer kwantumbits dan tot nu toe mogelijk was.
De energietoestanden van elektronen in een atoom volgen de wetten van de kwantummechanica:ze zijn niet continu verdeeld, maar beperkt tot bepaalde goed gedefinieerde waarden – dit wordt ook wel kwantisering genoemd. Dergelijke gekwantiseerde toestanden vormen de basis voor quantumbits (qubits), waarmee wetenschappers extreem krachtige quantumcomputers willen bouwen. Daartoe moeten de atomen worden afgekoeld en op één plek worden opgesloten.
Sterke vangst kan worden bereikt door de atomen te ioniseren, wat betekent dat ze een elektrische lading krijgen. Een fundamentele wet van het elektromagnetisme stelt echter dat elektrische velden die constant zijn in de tijd geen enkel geladen deeltje kunnen vangen. Door het toevoegen van een oscillerend elektromagnetisch veld verkrijg je daarentegen een stabiele ionenval, ook wel een Paul-val genoemd.
Op deze manier is het de afgelopen jaren mogelijk geweest om quantumcomputers te bouwen met ionenvallen van zo’n 30 qubits. Veel grotere kwantumcomputers kunnen met deze techniek echter niet zonder meer worden gerealiseerd. De oscillerende velden maken het moeilijk om verschillende van dergelijke vallen op één chip te combineren, en het gebruik ervan verhit de val – een groter probleem naarmate systemen groter worden. Ondertussen is het transport van ionen beperkt tot lineaire secties die zijn verbonden door kruisen.
Ionenval met een magnetisch veld
Een team van onderzoekers van ETH Zürich onder leiding van Jonathan Home heeft nu aangetoond dat ionenvallen die geschikt zijn voor gebruik in kwantumcomputers ook kunnen worden gebouwd met behulp van statische magnetische velden in plaats van oscillerende velden. In die statische vallen met een extra magnetisch veld, de zogenaamde Penning-traps, werden zowel willekeurig transport als de noodzakelijke handelingen voor de toekomstige supercomputers gerealiseerd. De onderzoekers publiceerden hun resultaten onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift Nature .
"Traditioneel worden Penning-vallen gebruikt als je heel veel ionen wilt vangen voor precisie-experimenten, maar zonder ze individueel te hoeven controleren", zegt Ph.D. student Shreyans Jain. "In de kleinere kwantumcomputers op basis van ionen worden daarentegen Paul-traps gebruikt."
Het idee van de ETH-onderzoekers om toekomstige kwantumcomputers te bouwen die ook gebruik maken van Penning-traps werd aanvankelijk om verschillende redenen met scepsis ontvangen door hun collega's. Penning traps vereisen extreem sterke magneten, die erg duur en nogal omvangrijk zijn.
Bovendien waren alle eerdere realisaties van Penning-traps zeer symmetrisch geweest, iets wat de bij ETH gebruikte structuren op chipschaal schenden. Door het experiment in een grote magneet te plaatsen, wordt het moeilijk om de laserstralen die nodig zijn voor het controleren van de qubits in de val te geleiden, terwijl sterke magnetische velden de afstand tussen de energietoestanden van de qubits vergroten. Dit maakt de besturingslasersystemen op zijn beurt veel complexer:in plaats van een eenvoudige diodelaser zijn meerdere fasevergrendelde lasers nodig.
Vervoer in willekeurige richtingen
Home en zijn medewerkers lieten zich echter niet afschrikken door deze moeilijkheden en construeerden een Penning-val op basis van een supergeleidende magneet en een microgefabriceerde chip met verschillende elektroden, die werd geproduceerd in de Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig. De gebruikte magneet levert een veld van 3 Tesla, bijna 100.000 keer sterker dan het aardmagnetisch veld. Met behulp van een systeem van cryogeen gekoelde spiegels slaagden de onderzoekers uit Zürich erin het benodigde laserlicht door de magneet naar de ionen te kanaliseren.
De inspanningen wierpen hun vruchten af:een enkel gevangen ion, dat enkele dagen in de val kan blijven, kon nu willekeurig op de chip worden verplaatst, waardoor punten hemelsbreed met elkaar werden verbonden door de verschillende elektroden te besturen – dit was voorheen niet mogelijk met de oude aanpak gebaseerd op oscillerende velden. Omdat er geen oscillerende velden nodig zijn voor het vangen, kunnen veel van deze vallen op één enkele chip worden verpakt.
"Als ze eenmaal zijn opgeladen, kunnen we de elektroden zelfs volledig isoleren van de buitenwereld en zo onderzoeken hoe sterk de ionen worden verstoord door invloeden van buitenaf", zegt Tobias Sägesser, die als Ph.D. bij het experiment betrokken was. leerling.
Coherente controle van de qubit
De onderzoekers toonden ook aan dat de qubit-energietoestanden van het gevangen ion ook gecontroleerd konden worden terwijl de kwantummechanische superposities behouden bleven. Coherente controle werkte zowel met de elektronische (interne) toestanden van het ion en de (externe) gekwantiseerde oscillatietoestanden, als voor het koppelen van de interne en externe kwantumtoestanden. Dit laatste is een voorwaarde voor het creëren van verstrengelde toestanden, die belangrijk zijn voor kwantumcomputers.
Als volgende stap wil Home twee ionen in aangrenzende Penning-traps op dezelfde chip vangen en zo aantonen dat kwantumoperaties met meerdere qubits ook uitgevoerd kunnen worden. Dit zou het definitieve bewijs zijn dat kwantumcomputers kunnen worden gerealiseerd met behulp van ionen in Penning-vallen. De hoogleraar heeft ook andere toepassingen op het oog. Omdat de ionen in de nieuwe val bijvoorbeeld flexibel kunnen worden verplaatst, kunnen ze worden gebruikt om elektrische, magnetische of microgolfvelden nabij oppervlakken te onderzoeken. Dit opent de mogelijkheid om deze systemen te gebruiken als atomaire sensoren voor oppervlakte-eigenschappen.