För första gången, forskare har designat ett fullt anslutet 32-qubit fångade-jon-kvantdatorregister som arbetar vid kryogena temperaturer. Det nya systemet representerar ett viktigt steg mot att utveckla praktiska kvantdatorer.

Junki Kim från Duke University kommer att presentera den nya hårdvarudesignen vid den inledande OSA Quantum 2.0-konferensen som ska samlokaliseras som ett helt virtuellt evenemang med OSA Frontiers in Optics and Laser Science APS/DLS (FiO + LS)-konferens 14–17 september .

Istället för att använda traditionella datorbitar som bara kan vara noll eller en, kvantdatorer använder qubits som kan vara i en överlagring av beräkningstillstånd. Detta gör att kvantdatorer kan lösa problem som är för komplexa för traditionella datorer.

Fångade-jon-kvantdatorer är bland de mest lovande typerna av kvantteknologi för kvantberäkning, men det har varit utmanande att skapa dessa datorer med tillräckligt med qubits för praktisk användning.

"I samarbete med University of Maryland, vi har designat och konstruerat flera generationer av fullt programmerbara jonfälla kvantdatorer, ", sa Kim. "Detta system är det senaste i arbetet där många av de utmaningar som leder till långsiktig tillförlitlighet tacklas direkt."

Skala upp kvantdatorer

Kvantdatorer med fångade joner kyler joner till extremt låga temperaturer, vilket gör att de kan hängas upp i ett elektromagnetiskt fält i ett ultrahögt vakuum och sedan manipuleras med exakta lasrar för att bilda qubits.

Än så länge, att uppnå hög beräkningsprestanda i storskaliga jonfällasystem har hindrats av kollisioner med bakgrundsmolekyler som stör jonkedjan, instabilitet hos laserstrålarna som driver de logiska grindarna som ses av jonen, och elektriskt fältbrus från infångningselektroderna som agiterar jonens rörelse som ofta används för att skapa intrassling.

I det nya arbetet, Kim och kollegor tog itu med dessa utmaningar genom att införliva dramatiskt nya tillvägagångssätt. Jonerna fångas i en lokaliserad ultrahögvakuumhölje inuti en kryostat med sluten cykel kyld till 4K temperaturer, med minimala vibrationer. Detta arrangemang eliminerar störningen av qubitkedjan som uppstår vid kollisioner med kvarvarande molekyler från miljön, och undertrycker kraftigt den onormala uppvärmningen från fällans yta.

För att uppnå rena laserstråleprofiler och minimera fel, forskarna använde en fotonisk kristallfiber för att ansluta olika delar av det optiska Raman-systemet som driver qubit-grindar - byggstenarna i kvantkretsar. Dessutom, de känsliga lasersystemen som behövs för att driva kvantdatorerna är konstruerade för att tas bort från det optiska bordet och installeras i instrumentställ. Laserstrålarna levereras sedan till systemet i single-mode optiska fibrer. De anammade nya sätt att designa och implementera optiska system som i grunden eliminerar mekanisk och termisk instabilitet för att skapa en nyckelfärdig laserinstallation för kvantdatorer med fångade joner.

Forskarna har visat att systemet kan automatiseras på begäran av jon-qubit-kedjor, och kan utföra enkla qubit-manipulationer med hjälp av mikrovågsfält. Teamet gör solida framsteg mot att implementera intrasslande grindar, på ett sätt som kan skala upp till hela 32 qubits.

I framtida arbete, och i samarbete med datavetare och kvantalgoritmforskare, teamet planerar att integrera hårdvaruspecifik programvara med fångade-jonkvantberäkningshårdvaran. Det helt integrerade systemet, består av helt anslutna fångade-jon-qubits och hårdvaruspecifik mjukvara, kommer att lägga en grund för praktiska fångade-jon kvantdatorer.