Микроловушка Пеннинга для квантовых вычислений
Экспериментально продемонстрировано, что ионные ловушки, подходящие для использования в квантовых компьютерах, могут быть построены с использованием статических магнитных полей вместо осциллирующих. В этих статических ловушках с дополнительным магнитным полем (ловушки Пеннинга) реализовывался как произвольный транспорт, так и необходимые операции для будущих суперкомпьютеров. Исследователи недавно опубликовали свои результаты в научном журнале Nature. Установлено, что энергетические состояния кубита захваченного иона можно контролировать, сохраняя квантово-механические суперпозиции. Когерентный контроль работал как с электронными (внутренними) состояниями иона, так и с (внешними) квантованными колебательными состояниями, а также для связи внутренних и внешних квантовых состояний.
Экспериментальная установка исследователей ETH. Чип-ловушка расположен внутри контейнера под серебряным куполом, в котором линза улавливает свет, излучаемый захваченными ионами.
Фото: ETH Zurich / Павел Хрмо
Исследователям из ETH удалось поймать ионы с помощью статических электрических и магнитных полей и выполнить над ними квантовые операции. В будущем такие ловушки можно будет использовать для создания квантовых компьютеров с гораздо большим количеством квантовых битов, чем это было возможно до сих пор.
Энергетические состояния электронов в атоме подчиняются законам квантовой механики: они не распределены непрерывно, а ограничены определенными четко определенными значениями — это также называется квантованием. Такие квантованные состояния являются основой квантовых битов (кубитов), с помощью которых ученые хотят построить чрезвычайно мощные квантовые компьютеры. Для этого атомы необходимо охладить и задержать в одном месте.
Сильного захвата можно добиться за счет ионизации атомов, то есть придания им электрического заряда. Однако фундаментальный закон электромагнетизма гласит, что постоянные во времени электрические поля не могут захватить ни одну заряженную частицу. С другой стороны, добавив колеблющееся электромагнитное поле, можно получить стабильную ионную ловушку, также известную как ловушка Пауля.
Таким образом, в последние годы стало возможным построить квантовые компьютеры с ионными ловушками, содержащими около 30 кубитов. Однако с помощью этой технологии невозможно реализовать гораздо более крупные квантовые компьютеры. Осциллирующие поля затрудняют объединение нескольких таких ловушек на одном чипе , а их использование нагревает ловушку — что становится более серьезной проблемой по мере того, как системы становятся больше. При этом транспорт ионов ограничивается прохождением по линейным участкам, соединенным крестами.
Схема, показывающая среднюю часть использованной ловушки Пеннинга. Ион (красный) захватывается за счет сочетания электрического поля, создаваемого различными электродами (желтый), и магнитного поля.
Фото: ETH Zürich/Институт квантовой электроники.
Ионная ловушка с магнитным полем
Группа исследователей из ETH Zurich под руководством Джонатана Хоума продемонстрировала, что ионные ловушки, подходящие для использования в квантовых компьютерах, также могут быть построены с использованием статических магнитных полей вместо осциллирующих полей. В этих статических ловушках с дополнительным магнитным полем, называемых ловушками Пеннинга, реализовывался как произвольный транспорт, так и необходимые операции для будущих суперкомпьютеров. Исследователи недавно опубликовали свои результаты в научном журнале Nature.
«Традиционно ловушки Пеннинга используются, когда нужно поймать очень много ионов для точных экспериментов, но без необходимости контролировать их индивидуально», — говорит доктор философии, студент Шрейанс Джайн. «Напротив, в меньших квантовых компьютерах на основе ионов используются ловушки Пола».
Идея исследователей ETH построить будущие квантовые компьютеры, также используя ловушки Пеннинга, поначалу была встречена их коллегами скептически по разным причинам. Ловушки Пеннинга требуют чрезвычайно сильных магнитов, которые очень дороги и довольно громоздки.
Кроме того, все предыдущие реализации ловушек Пеннинга были очень симметричными, что нарушают структуры масштаба чипа, используемые в ETH. Помещение эксперимента внутри большого магнита затрудняет направление лазерных лучей, необходимых для управления кубитами, в ловушку, а сильные магнитные поля увеличивают расстояние между энергетическими состояниями кубитов. Это, в свою очередь, существенно усложняет системы управления лазерами: вместо простого диодного лазера необходимо несколько лазеров с фазовой синхронизацией.
Перемещение одного захваченного иона в двухмерной плоскости и освещение его лазерным лучом позволило исследователям создать логотип ETH. Изображение формируется усреднением по множеству повторений транспортной последовательности.
Фото: ETH Zurich/Институт квантовой электроники.
Транспорт в произвольных направлениях
Однако Хоума и его сотрудников эти трудности не остановили, и они сконструировали ловушку Пеннинга на основе сверхпроводящего магнита и микрочипа с несколькими электродами, который был произведен в Физико-техническом Бундесанстальте в Брауншвейге. Используемый магнит создает поле силой 3 Тесла, что почти в 100 000 раз сильнее магнитного поля Земли. Используя систему криогенно охлаждаемых зеркал, цюрихским исследователям удалось направить необходимый лазерный свет через магнит к ионам.
Усилия оправдались: один захваченный ион, который может оставаться в ловушке в течение нескольких дней, теперь можно было произвольно перемещать по чипу, соединяя точки «по прямой линии», управляя различными электродами — раньше это было невозможно с помощью старый подход, основанный на осциллирующих полях. Поскольку для захвата не требуются осциллирующие поля, многие из этих ловушек можно уместить на одном чипе.
«Как только они зарядятся, мы сможем даже полностью изолировать электроды от внешнего мира и таким образом исследовать, насколько сильно ионы нарушаются внешними воздействиями», — говорит Тобиас Сегессер, который участвовал в эксперименте в качестве доктора философии, студент.
Когерентное управление кубитом
Исследователи также продемонстрировали, что энергетические состояния кубита захваченного иона также можно контролировать, сохраняя при этом квантово-механические суперпозиции. Когерентный контроль работал как с электронными (внутренними) состояниями иона, так и с (внешними) квантованными колебательными состояниями, а также для связи внутренних и внешних квантовых состояний. Последнее является предпосылкой для создания запутанных состояний, важных для квантовых компьютеров.
В качестве следующего шага Хоум хочет поймать два иона в соседних ловушках Пеннинга на одном чипе и таким образом продемонстрировать, что квантовые операции также могут выполняться с несколькими кубитами. Это станет окончательным доказательством того, что квантовые компьютеры можно реализовать с использованием ионов в ловушках Пеннинга. Профессор имеет в виду и другие применения. Например, поскольку ионы в новой ловушке можно гибко перемещать, их можно использовать для исследования электрических, магнитных или микроволновых полей вблизи поверхностей. Это открывает возможность использовать эти системы в качестве атомных датчиков свойств поверхности.
