Forskare vid Joint Quantum Institute (JQI) har stadigt förbättrat prestanda hos jonfällasystem, en ledande plattform för framtida kvantdatorer. Nu, ett team av forskare ledda av JQI Fellows Norbert Linke och Christopher Monroe har utfört ett nyckelexperiment på fem jonbaserade kvantbitar, eller qubits. De använde laserpulser för att samtidigt skapa kvantkopplingar mellan olika par av qubits - första gången dessa typer av parallella operationer har utförts i en jonfälla. Den nya studien, vilket är ett kritiskt steg mot storskalig kvantberäkning, publicerades den 24 juli i tidskriften Natur .

"När det kommer till skalningskraven för en kvantdator, fångade joner kontrollera alla rutorna, "säger Monroe, som också är Bice-Sechi Zorn-professor vid UMD Institutionen för fysik och medgrundare av kvantdatorstartupen IonQ. "Att få dessa parallella operationer att fungera illustrerar ytterligare att framskridande jonfälla kvantprocessorer inte begränsas av qubits fysik utan är istället knuten till att konstruera deras styrenheter."

Jonfällor är anordningar för att fånga laddade atomer och molekyler, och de används vanligtvis för kemisk analys. Under de senaste decennierna har fysiker och ingenjörer har kombinerat jonfällor med sofistikerade lasersystem för att utöva kontroll över enstaka atomära joner. I dag, denna typ av hårdvara är en av de mest lovande för att bygga en universell kvantdator.

JQI-jonfällan som används i denna studie är gjord av guldbelagda elektroder, som bär de elektriska fälten som begränsar ytterbiumjoner. Jonerna fångas i mitten av fällan där de bildar en linje, var och en skild från sin granne med några mikrometer. Denna inställning gör det möjligt för forskare att ha fin kontroll över enskilda joner och konfigurera dem som qubits.

Varje jon har inre energinivåer eller kvanttillstånd som är naturligt isolerade från yttre påverkan. Denna funktion gör dem idealiska för lagring och kontroll av kvantinformation, vilket är notoriskt känsligt. I detta experiment, forskargruppen använder två av dessa tillstånd, kallas "0" och "1, " som qubit.

Forskarna riktar laserpulser mot en sträng qubits för att köra program på denna småskaliga kvantdator. Programmen, kallas även kretsar, är uppdelade i en uppsättning enkel- och två-qubit portar. En enkel-qubit-grind kan, till exempel, vänd tillståndet för en jon från 1 till 0. Detta är en enkel uppgift för en laserpuls. En två-qubit gate kräver mer sofistikerade pulser eftersom det innebär att skräddarsy interaktionerna mellan qubits. Vissa två-qubit-operationer kan skapa intrassling-en kvantförbindelse som är nödvändig för kvantberäkning-mellan två qubits.

Tills nu, kretsar i jontrapkvantdatorer har begränsats till en sekvens av enskilda grindar, en efter en. Med denna nya demonstration, forskare kan nu göra två-qubit-grindar parallellt, skapa intrassling mellan olika par av joner samtidigt. Forskargruppen uppnådde detta genom att optimera laserpulssekvenserna som används för att utföra operationer, se till att avbryta oönskade laser-qubit-interaktioner. På det här sättet, de kunde framgångsrikt implementera samtidiga intrasslande grindar på två separata jonpar.

Enligt författarna, parallella intrasslande grindar kommer att göra det möjligt för program att korrigera fel under en kvantberäkning - ett nästan säkert krav i kvantdatorer med många fler kvantbitar. Dessutom, en kvantdator som tar hänsyn till stora tal eller simulerar kvantfysik kommer sannolikt att behöva parallella intrasslingsoperationer för att uppnå en hastighetsfördel jämfört med konventionella datorer.