De ionenbeweging vindt plaats in een val die wordt onderhouden door nauwkeurig de spanningen te regelen die een elektrisch potentiaal tussen goudcontacten creëren. Maar het verplaatsen van een koud atoom uit een deel van de val lijkt een beetje op het verplaatsen van een kom met een knikker op de bodem.

Wanneer de kom stopt met bewegen, moet de knikker stil komen te staan ​​en niet rondrollen in de kom, legt Kenton Brown uit, een hoofdonderzoeker van GTRI die al meer dan vijftien jaar aan kwantumcomputerproblemen werkt.

"Dat is eigenlijk wat we altijd proberen te doen met deze ionen als we het beperkende potentieel, dat lijkt op de kom, van de ene plaats naar de andere in de val verplaatsen", zei hij. "Als we klaar zijn met het verplaatsen van het beperkende potentieel naar de uiteindelijke locatie in de val, willen we niet dat het ion binnen het potentieel beweegt."

Zodra het hete ion en het koude ion dicht bij elkaar zijn, vindt er een eenvoudige energie-uitwisseling plaats en kan het oorspronkelijke koude ion – nu verwarmd door zijn interactie met een computerion – worden afgesplitst en worden teruggestuurd naar een nabijgelegen reservoir met gekoelde ionen. /P>

De GTRI-onderzoekers hebben tot nu toe een proof-of-concept-systeem met twee ionen gedemonstreerd, maar zeggen dat hun techniek toepasbaar is op het gebruik van meerdere computer- en koelionen, en andere ionensoorten.

Eén enkele energie-uitwisseling verwijderde meer dan 96% van de warmte – gemeten als 102(5) quanta – van het rekenion, wat een aangename verrassing was voor Brown, die had verwacht dat er meerdere interacties nodig zouden kunnen zijn. De onderzoekers testten de energie-uitwisseling door de starttemperatuur van de computationele ionen te variëren en ontdekten dat de techniek effectief is, ongeacht de initiële temperatuur. Ze hebben ook aangetoond dat de energie-uitwisselingsoperatie meerdere keren kan worden uitgevoerd.

Warmte – in wezen trillingsenergie – sijpelt het gevangen ionensysteem binnen door zowel computeractiviteit als door abnormale verwarming, zoals onvermijdelijke radiofrequentieruis in de ionenval zelf. Omdat het computerion warmte uit deze bronnen absorbeert, zelfs als het wordt gekoeld, zijn er meer verbeteringen nodig om meer dan 96% van de energie te verwijderen, aldus Brown.

De onderzoekers stellen zich voor dat in een besturingssysteem gekoelde atomen beschikbaar zouden zijn in een reservoir naast de QCCD-operaties en op een constante temperatuur zouden worden gehouden. De computerionen kunnen niet rechtstreeks met een laser worden gekoeld, omdat de kwantumgegevens die ze bevatten zouden worden gewist.

Overmatige hitte in een QCCD-systeem heeft een negatieve invloed op de betrouwbaarheid van de kwantumpoorten, waardoor fouten in het systeem worden geïntroduceerd. De GTRI-onderzoekers hebben nog geen QCCD gebouwd die gebruik maakt van hun koeltechniek, al is dat een toekomstige stap in het onderzoek. Ander werk dat voor ons ligt, omvat het versnellen van het afkoelingsproces en het bestuderen van de effectiviteit ervan bij het koelen van beweging langs andere ruimtelijke richtingen.

De experimentele component van het experiment met snelle uitwisselingskoeling werd geleid door simulaties die werden uitgevoerd om onder andere de routes te voorspellen die de ionen zouden volgen tijdens hun reis binnen de ionenval. "We begrepen absoluut waar we naar op zoek waren en hoe we dit moesten bereiken op basis van de theorie en simulaties die we hadden," zei Brown.

De unieke ionenval is vervaardigd door medewerkers van Sandia National Laboratories. De GTRI-onderzoekers gebruikten computergestuurde spanningsopwekkingskaarten die specifieke golfvormen konden produceren in de val, die in totaal 154 elektroden heeft, waarvan het experiment er 48 gebruikte. De experimenten vonden plaats in een cryostaat die op ongeveer 4 graden Kelvin werd gehouden. P>

De Quantum Systems Division (QSD) van GTRI onderzoekt kwantumcomputersystemen op basis van individuele gevangen atomaire ionen en nieuwe kwantumsensorapparaten op basis van atomaire systemen. GTRI-onderzoekers hebben een aantal ionenvallen en ultramoderne componenten ontworpen, vervaardigd en gedemonstreerd ter ondersteuning van geïntegreerde kwantuminformatiesystemen. Eén van de ontwikkelde technologieën is het vermogen om ionen nauwkeurig te transporteren naar de plek waar ze nodig zijn.

"We hebben een zeer nauwkeurige controle over hoe de ionen bewegen, de snelheid waarmee ze bij elkaar kunnen worden gebracht, het potentieel waarin ze zich bevinden als ze dicht bij elkaar zijn, en de timing die nodig is om dit soort experimenten uit te voeren", zegt Fallek.

Andere GTRI-onderzoekers die bij het project betrokken waren, waren onder meer Craig Clark, Holly Tinkey, John Gray, Ryan McGill en Vikram Sandhu. Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met het Los Alamos National Laboratory.

Meer informatie: Spencer D. Fallek et al., Snelle uitwisselingskoeling met opgesloten ionen, Nature Communications (2024). DOI:10,1038/s41467-024-45232-z

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Georgia Institute of Technology