Av de många olika tillvägagångssätten för att bygga en praktisk kvantdator, en av de mest lovande vägarna leder mot jonfällor. I dessa fällor, enskilda joner hålls stilla och fungerar som de grundläggande enheterna för data, eller qubits, av datorn. Med hjälp av laser, dessa qubits interagerar med varandra för att utföra logiska operationer.

Laboratorieexperiment med små antal fångade joner fungerar bra, men mycket arbete återstår med att ta reda på de grundläggande delarna av en skalbar jonfälla kvantdator. Vilken typ av joner ska användas? Vilken teknik kommer att kunna kontrollera, manipulera, och läsa ut kvantinformationen som är lagrad i de jonerna?

För att besvara dessa frågor, Forskare från MIT Lincoln Laboratory har vänt sig till ett lovande par:joner av kalcium (Ca) och strontium (Sr). I en artikel publicerad i npj Quantum Information, teamet beskriver användningen av dessa joner för att utföra kvantlogiska operationer och finner dem vara gynnsamma för flera kvantberäkningsarkitekturer. Bland deras fördelar, dessa joner kan manipuleras genom att använda synligt och infrarött ljus, i motsats till ultraviolett, som behövs av många typer av joner som används i experiment. Till skillnad från ultraviolett ljus, Teknik som skulle kunna leverera synligt och infrarött ljus till ett stort antal fångade joner finns redan.

"Vilken typ av kvantinformationsbehandlingsarkitektur är möjlig för fångade joner? Om det visar sig kommer det att bli mycket svårare att använda en viss jonart, det skulle vara viktigt att veta tidigt, innan du går långt ner på den vägen, " säger John Chiaverini, högre personal i Quantum Information and Integrated Nanosystems Group. "Vi tror att vi inte behöver uppfinna ett helt nytt konstruerat system, och inte lösa en helt ny grupp av problem, använder dessa jonarter. "

Kallt och beräknande

För att fånga joner, forskare börjar med en vakuumkammare av stål, hyser elektroder på ett chip som är kylt till nästan 450 grader under noll Fahrenheit. Ca- och Sr-atomer strömmar in i kammaren. Flera lasrar slår ut elektroner från atomerna, omvandlar Ca- och Sr-atomerna till joner. Elektroderna genererar elektriska fält som fångar jonerna och håller dem 50 mikrometer ovanför chipets yta. Andra lasrar kyler jonerna, hålla dem i fällan.

Sedan, jonerna sammanförs för att bilda en Ca+/Sr+ -kristall. Varje typ av jon spelar en unik roll i detta partnerskap. Sr-jonen innehåller qubit för beräkning. Att lösa ett problem, en kvantdator vill veta energinivån, eller kvanttillstånd, av en jons yttersta elektron. Elektronen kan vara i sin lägsta energinivå eller grundtillstånd (betecknad), någon högre energinivå eller exciterat tillstånd (betecknas), eller båda staterna på en gång. Denna konstiga förmåga att vara i flera tillstånd samtidigt kallas superposition, och det är det som ger kvantdatorer kraften att prova många möjliga lösningar på ett problem samtidigt.

Men superposition är svårt att upprätthålla. När en qubit väl har observerats — till exempel, genom att använda laserljus för att se vilken energinivå dess elektron befinner sig i — kollapsar den till antingen en etta eller noll. För att göra en praktisk kvantdator, forskare behöver hitta sätt att mäta tillstånden för endast en delmängd av datorns qubits utan att störa hela systemet.

Detta behov för oss tillbaka till rollen som Ca-jonen – hjälpar-qubiten. Med en massa liknande Sr-jonen, den tar bort extra energi från Sr-jonen för att hålla den sval och hjälpa den att behålla sina kvantegenskaper. Laserpulser knuffar sedan ihop de två jonerna, bildar en port genom vilken Sr -jonen kan överföra sin kvantinformation till Ca -jonen.

"När två qubits är intrasslade, deras stater är beroende av varandra. De är så kallade spöklikt korrelerade, '" sa Chiaverini. Denna korrelation betyder att utläsning av tillståndet för en qubit berättar om tillståndet för den andra. För att läsa ut detta tillstånd, forskarna förhör Ca-jonen med en laser vid en våglängd som endast Ca-jonens elektron kommer att interagera med, lämnar Sr-jonen opåverkad. Om elektronen är i grundtillstånd kommer den att avge fotoner, som samlas in av detektorer. Jonen förblir mörk om den är i ett exciterat metastabilt tillstånd.

"Det som är trevligt med att använda denna hjälpjon för att läsa upp är att vi kan använda våglängder som inte påverkar beräkningsjonerna runt den; kvantinformationen förblir frisk. Så, hjälpjonen gör dubbel plikt; den tar bort termisk energi från Sr-jonen och har låg överhörning när jag vill läsa ut bara den där qubiten, " säger Colin Bruzewicz, som byggde systemet och ledde experimentet.

Trovärdigheten för Ca+/Sr+ -trasseln i deras experiment var 94 procent. Trohet är sannolikheten för att grinden mellan de två kvantbitarna producerade det kvanttillstånd som den förväntades ha - att intrasslingen fungerade. Detta systems trohet är tillräckligt hög för att demonstrera den grundläggande kvantlogikfunktionaliteten, men ännu inte tillräckligt hög för en helt felkorrigerad kvantdator. Teamet trasslade även in joner i olika konfigurationer, såsom de två jonerna på ändarna av en Sr+/Ca+/Sr+-sträng, med liknande trohet.

En våglängdsmatchning

För närvarande, jonfällan är stor och koreograferar användningen av 12 olika färgade lasrar. Dessa lasrar strömmar genom fönster i den kryogena kammaren och är avsedda att träffa jonerna. En praktisk kvantdator – en som kan lösa problem bättre än en klassisk dator – kommer att behöva en uppsättning av tusentals eller till och med miljontals joner. I det scenariot, det skulle vara praktiskt taget omöjligt att träffa exakt de rätta jonerna utan att störa kvanttillstånden i angränsande joner. Forskare från Lincoln Laboratory har arbetat under de senaste åren på ett sätt att leverera lasrarna upp genom "galler" i chipet som jonerna svävar ovanför. Detta integrerade fotoniska chip både förenklar installationen och säkerställer att rätt laser träffar det avsedda målet. Förra året, laget uppnådde den första framgångsrika demonstrationen någonsin av en lågförlust, integrerad fotonikplattform med ljusleverans som sträcker sig från det synliga till det infraröda spektrumet.

Bekvämt, de våglängder som krävs för att kyla Ca- och Sr-joner, trasslar in dem, och att läsa dem faller alla inom samma spektrum. Denna överlappning förenklar systemets laserkrav, till skillnad från andra par av joner som var och en kräver mycket olika våglängder. "Dessa joner lämpar sig för att användas med integrerad fotonik. De är en våglängdsmatchning. Det är tekniskt vettigt att använda dem, " säger Bruzewicz.

Dessutom, många typer av fångade joner som kvantforskare undersöker behöver ultraviolett ljus för excitation. Men ultraviolett ljus kan vara svårt att arbeta med. Vågledare och andra fotoniska enheter som bär ljuset till jonerna tenderar att förlora en del av ljuset på vägen. Att leverera ultraviolett ljus till storskaliga system med fångade joner skulle kräva mycket mer kraft, eller konstruktion av nya material som upplever mindre förlust.

"Det är mycket enklare att arbeta med det här ljuset än det ultravioletta, speciellt när du börjar sätta ihop många av dessa joner. Men det är utmaningen - ingen vet faktiskt vilken typ av arkitektur som möjliggör kvantberäkning som är till hjälp. Juryn är fortfarande ute, " reflekterar Chiaverini. "I det här fallet, vi funderar på vad som kan vara mest fördelaktigt för att skala upp ett system. Dessa joner är mycket mottagliga för det."

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.