_ Ion nou tehnica de răcire ar putea simplifica dispozitivele de calcul cuantic

O nouă tehnică de răcire care utilizează o singură specie de ioni prinși atât pentru calcul, cât și pentru răcire ar putea simplifica utilizarea dispozitivelor cuplate cu sarcină cuantică (QCCD), apropiind potențial calculul cuantic la aplicații practice.

Folosind o tehnică numită răcire rapidă cu schimb ionic, oamenii de știință de la Georgia Tech Research Institute (GTRI) au arătat că ar putea răci un ion de calciu – care câștigă energie vibrațională în timp ce efectuează calcule cuantice – prin mutarea unui ion rece din aceeași specie în imediata apropiere. După transferul energiei de la ionul cald în cel rece, ionul de agent frigorific este returnat într-un rezervor din apropiere pentru a fi răcit pentru utilizare ulterioară.

Cercetarea este raportată în jurnalul Nature Communications.

p>Răcirea ionică convențională pentru QCCD implică utilizarea a două specii diferite de ioni, cu ionii de răcire cuplati la lasere cu o lungime de undă diferită care nu afectează ionii utilizați pentru calculul cuantic. Dincolo de laserele necesare pentru a controla operațiunile de calcul cuantic, această tehnică de răcire simpatică necesită lasere suplimentare pentru a capta și controla ionii de agent frigorific și că atât crește complexitatea, cât și încetinește operațiunile de calcul cuantic.

„Am arătat un nou lucru. metodă de răcire a ionilor mai rapid și mai simplu în această arhitectură promițătoare QCCD”, a spus Spencer Fallek, cercetător GTRI. „Răcirea cu schimb rapid poate fi mai rapidă, deoarece transportul ionilor de răcire necesită mai puțin timp decât răcirea cu laser a două specii diferite. Și este mai simplu, deoarece utilizarea a două specii diferite necesită operarea și controlul mai multor lasere.”

Mișcarea ionilor are loc. într-o capcană menţinută prin controlarea precisă a tensiunilor care creează un potenţial electric între contactele de aur. Dar mutarea unui atom rece dintr-o parte a capcanei este un pic ca a muta un bol cu ​​o biluță așezată în partea de jos.

Când bolul se oprește, marmura trebuie să devină staționară, nu să se rostogolească în bowl, a explicat Kenton Brown, cercetător principal al GTRI, care a lucrat pe probleme de calcul cuantic de mai bine de 15 ani.

„Practic, asta încercăm mereu să facem cu acești ioni atunci când ne mișcăm. potențialul de limitare, care este ca bolul, dintr-un loc în altul în capcană”, a spus el. „Când am terminat de mutat potențialul de limitare în locația finală din capcană, nu vrem ca ionul să se miște în interiorul potențialului.”

Odată ce ionul fierbinte și ionul rece sunt aproape de fiecare. altul, are loc un simplu schimb de energie, iar ionul rece original - încălzit acum prin interacțiunea sa cu un ion de calcul - poate fi separat și returnat într-un rezervor din apropiere de ioni răciți.

Cercetătorii GTRI au așadar. au demonstrat până acum un sistem de dovadă a conceptului cu doi ioni, dar spun că tehnica lor este aplicabilă utilizării mai multor ioni de calcul și de răcire și a altor specii de ioni.

Un singur schimb de energie a eliminat mai mult de 96% a căldurii – măsurată ca 102(5) cuante – de la ionul de calcul, ceea ce a fost o surpriză plăcută pentru Brown, care se așteptase că ar putea fi necesare interacțiuni multiple. Cercetătorii au testat schimbul de energie variind temperatura de pornire a ionilor de calcul și au descoperit că tehnica este eficientă indiferent de temperatura inițială. Ei au demonstrat, de asemenea, că operațiunea de schimb de energie poate fi efectuată de mai multe ori.

Căldura – în esență energie vibrațională – se infiltrează în sistemul ionic prins atât prin activitatea de calcul, cât și prin încălzire anormală, cum ar fi zgomotul inevitabil de radio-frecvență. în capcana ionică în sine. Deoarece ionul de calcul absoarbe căldură din aceste surse chiar și atunci când este răcit, eliminarea a peste 96% din energie va necesita mai multe îmbunătățiri, a spus Brown.

Cercetătorii au în vedere că într-un sistem de operare, atomii răciți ar fi disponibili într-un rezervor de lângă operațiunile QCCD și menținuți la o temperatură constantă. Ionii de calcul nu pot fi răciți direct cu laser, deoarece acest lucru ar șterge datele cuantice pe care le dețin.

Caldura excesivă într-un sistem QCCD afectează negativ fidelitatea porților cuantice, introducând erori în sistem. Cercetătorii GTRI nu au construit încă un QCCD care să folosească tehnica lor de răcire, deși acesta este un pas viitor în cercetare. Alte lucrări viitoare includ accelerarea procesului de răcire și studierea eficienței acestuia la mișcarea de răcire de-a lungul altor direcții spațiale.

Componenta experimentală a experimentului de răcire cu schimb rapid a fost ghidată de simulări efectuate pentru a prezice, printre alți factori, căile pe care ionii le-ar lua în călătoria lor în capcana ionică. „Am înțeles cu siguranță ce căutăm și cum ar trebui să facem acest lucru pe baza teoriei și a simulărilor pe care le-am avut”, a spus Brown.

Capcana unică de ioni a fost fabricată de colaboratorii Sandia National Laboratories. Cercetătorii GTRI au folosit carduri de generare a tensiunii controlate de computer capabile să producă forme de undă specifice în capcană, care are un total de 154 de electrozi, dintre care experimentul a folosit 48. Experimentele au avut loc într-un criostat menținut la aproximativ 4 grade Kelvin.

Divizia de sisteme cuantice (QSD) a GTRI investighează sistemele de calcul cuantic bazate pe ioni atomici individuali prinși și dispozitive noi cu senzori cuantici bazate pe sisteme atomice. Cercetătorii GTRI au proiectat, fabricat și demonstrat o serie de capcane de ioni și componente de ultimă generație pentru a sprijini sistemele de informații cuantice integrate. Printre tehnologiile dezvoltate se numără capacitatea de a transporta cu precizie ionii acolo unde sunt necesari.

„Avem un control foarte fin asupra modului în care ionii se mișcă, viteza cu care pot fi reuniți, potențialul pe care îl au” intră atunci când sunt unul lângă celălalt și momentul necesar pentru a face experimente ca acesta”, a spus Fallek.

Alți cercetători GTRI implicați în proiect au inclus Craig Clark, Holly Tinkey, John Gray, Ryan McGill și Vikram Sandhu. Cercetarea a fost realizată în colaborare cu Los Alamos National Laboratory.

(Fluierul)