På senare år har forskningsteam över hela världen har försökt skapa instängda jonkvantdatorer, som hittills har visat sig vara bland de mest lovande systemen för praktiska kvantberäkningsimplementeringar. I dessa datorer, fångade joner fungerar som kvantbitar som är intrasslade för att utföra avancerade beräkningar.

På en strävan att utveckla skalbara instängda jonkvantdatorer, forskare vid University of Oxford har nyligen implementerat en två-qubit intrasslingsport mellan två distinkta atomära element, kalcium och strontium. I deras studie, med i Fysiska granskningsbrev , de använde en grindmekanism som bara kräver en enda laser, som de tidigare hade testat på två olika kalciumisotoper.

En av de största utmaningarna i utvecklingen av kvantdatorer med fångade joner är skalbarhet (d.v.s. hitta sätt att tillämpa metoder som gav lovande resultat på några få qubits till tusentals eller till och med miljontals qubits). Faktiskt, att helt enkelt lägga till nya qubits till ett kvantberäkningssystem resulterar ofta i en snabb minskning av prestanda, eftersom det introducerar nya fel och gör det svårare att interagera med en enda qubit utan att påverka några av de andra.

För att övervinna denna utmaning, forskargruppen vid University of Oxford använde två metoder som kallas modulering och optiskt nätverk. Väsentligen, deras mål var att ha joner i separata jonfällor och vakuumsystem, som endast är anslutna via optiska fibrer.

Detta tillvägagångssätt begränsar överhörning mellan qubits, behåller endast interaktioner som är önskvärda och kan kontrolleras av forskarna. Detta innebär att när ett system som fungerar bra har identifierats, mer av samma kan läggas till, eftersom nya inte kommer att påverka det övergripande resultatet.

"För detta tillvägagångssätt, men också andra strategier för att förbättra skalbarheten, att använda olika jonarter är mycket användbart, " Vera M. Schäfer, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "För det första, eftersom olika joner har olika styrkor och svagheter. Till exempel, vi använder en jonart som är ett mycket bra minne och logisk jon – det betyder att den kan lagra information under en mycket lång tid (50s jämfört med tiotals millisekunder för "normala" fångade jonqubits), och vi får mycket små fel när vi utför beräkningar med denna jonart; den andra arten är mycket bättre (och snabbare) på att koppla till fotoner. För det andra, eftersom ett problem med fångade joner är att de långsamt värms upp med tiden. Om vi ​​har två olika arter, vi kan använda den andra arten för att kyla jonerna under en beräkning, vilket minskar värmeproblemet. "

Att använda olika arter för att realisera kvantberäkningsapplikationer för fångade joner, forskare bör kunna överföra information mellan dessa arter. Detta kan göras genom att producera en så kallad två-qubit-grind.

I en av deras tidigare studier, Schäfer, Amy Hughes och hennes kollegor utförde framgångsrikt en två-qubit-gate mellan olika kalciumisotoper. Genom att implementera en sådan port mellan helt olika atomära element, dock, skulle vara mycket mer användbart. Detta beror på att olika element har mycket olika egenskaper och visar distinkta övergångsfrekvenser.

Som ett resultat, när man utför en operation på en art med laserteknik, de andra arterna skulle förbli helt opåverkade. Samtidigt, dock, eftersom de två elementen också kan ha olika massor, att kontrollera sin rörelse kan vara mycket mer komplicerat.

"I vårt tidigare arbete, vi utförde porten på två olika isotoper av kalcium med en enda laser, vilket var ett ganska naturligt beslut eftersom de flesta övergångsfrekvenser fortfarande är ganska nära i olika isotoper, " sade Schäfer. "Men, vi märkte att för strontium, det element som är bäst lämpat att använda tillsammans med kalcium, övergångsfrekvenserna är inte så långt ifrån varandra, och [vi tänkte] att vi kanske kunde använda samma schema som fungerade för olika isotoper för olika grundämnen."

Likheten mellan övergångsfrekvenserna för kalcium och strontium förenklade det aktuella problemet avsevärt, slutligen låta forskarna uppnå högre trovärdigheter än de som uppnås när de producerar andra blandade elementportar. Deras framgångsrika implementering av en port för blandade arter kan vara ett viktigt steg framåt i förverkligandet av storskalig kvantberäkning, samtidigt som det gör det möjligt för forskare att samtidigt utnyttja egenskaperna hos två olika element.

"Den grundläggande idén bakom infångade joner är att skapa en korrelation mellan jonernas qubit-tillstånd via deras rörelse, som är starkt kopplat när de stöter bort varandra på grund av sin laddning, ", sa Schäfer. "Laserljus kan kopplas till jonernas rörelse och, till exempel, skjuta dem i en viss riktning. Vi kan applicera laserljus som kopplar olika till joner i motsatta qubit-tillstånd, t.ex., det kommer att driva en jon i tillstånd | 1> , men dra en jon i tillstånd |0> . Således, för vissa qubit-tillståndskombinationer kommer den gemensamma rörelsen att avbrytas och för andra förbättras, och vi kan använda det för att skapa förvirring. "

Många forskare som tidigare implementerat blandade arter med två qubit-sammanfogade grindar använde olika lasrar för att manipulera olika element. Att göra detta, dock, forskarna måste se till att de två lasrarna är väl synkroniserade och kalibrerade så att de har en liknande effekt på de två olika jonarterna.

Schäfer, Hughes och deras kollegor, å andra sidan, använde endast en enda laser. Detta innebär att även om de inte behövde synkronisera det på något speciellt sätt, de hade också färre frihetsgrader tillgängliga för kalibrering och var tvungna att identifiera en position som skulle göra det möjligt att koppla båda arterna på ett liknande sätt. Eftersom blandade kristaller är mer känsliga för särskilda yttre effekter (t.ex. lösa elektriska fält), forskarna var tvungna att vara mer försiktiga under kalibreringen än vad de skulle göra när de implementerade en enda artport.

"Grinden implementerades med hjälp av ett par laserstrålar (vid cirka 402 nm), som kan kopplas till och excitera rörelsen av både kalcium och strontium samtidigt, "Schäfer förklarade." Vi använde tre olika metoder för att karakterisera grindens prestanda:mäta utgångstillståndet efter en enda grind och jämföra det med den ideala utgången; köra en sekvens av grindar som liknar en algoritm med och utan att interfoliera vår gate och jämföra storleken på fel mellan de två; och kör sekvenser som förbättrar olika typer av fel för att karakterisera arten av våra felkällor. "

För att utvärdera deras gates prestanda, forskarna använde tre metoder som kallas partial-state tomography, randomiserad benchmarking och gate set tomografi. Partial-state tomography består av att implementera en enda gate och sedan mäta dess output state.

"Detta är den enklaste och mest använda metoden, ", sa Schäfer. "Eftersom vi i genomsnitt bara får ett fel i två av 1, 000 grindar, vi måste göra detta många gånger för att få en korrekt uppskattning av grindfelet, och det är svårare att skilja mellan hur många fel som orsakades av själva grinden och hur många av avläsningen av sluttillståndet, jämfört med den andra metoden vi använde."

Randomiserad benchmarking, den andra utvärderingsstrategin som används av Schäfer, Hughes och deras kollegor, innebär implementering av flera på varandra följande grindar samtidigt som man infogar olika typer av grindar mellan dem för att kontinuerligt ändra ingångstillståndet, varefter varje grind appliceras. Senare, forskarna jämförde felet mellan endast denna slumpmässiga sekvens och en sekvens där deras grind intermittent introducerades mellan de slumpmässiga grindarna.

"Randomiserad benchmarking är bättre lämpad för att mäta mycket små fel, eftersom vi utför många grindoperationer innan vi läser av sluttillståndet, och resultatet är mer jämförbart med den förväntade prestandan i en verklig algoritm, sa Schäfer.

Till sist, gate set tomografi, den sista metoden som forskarna använde för att utvärdera deras port, försöker kvantifiera och karakterisera fel som uppstår när en gate implementeras. Att göra detta, det producerar sekvenser som är utformade för att öka effekten av specifika typer av fel för att kvantifiera den totala felmängden för varje typ. Informationen från att använda denna teknik är användbar för teoretiker som försöker utveckla mer effektiva felkorrigeringssystem.

"Jag tror att blandat arbete ibland har rykte om sig att vara ganska komplext och svårt och svårt att göra bra, ", sa Schäfer. "Vårt arbete visade att genom att välja rätt system, vi kan faktiskt utföra blandade arter grindar nästan lika bra som single art grindar. Det finns också några saker som man kan oroa sig för i början, det visade sig vara helt irrelevant i det här schemat. "

Den nyligen genomförda studien gjord av Schäfer, Hughes och deras kollegor skulle i slutändan kunna bidra till skapandet av nya kvantberäkningsmetoder för fångade joner som är lättare att skala upp. I framtiden, det kan också tjäna som inspiration för andra forskargrupper som försöker implementera insnärjningsportar för blandade arter, ger lite vägledning om hur man bäst uppnår detta.

"Vi testar nu en annan mekanism för insnärjning av blandade arter, och vill jämföra sina fördelar, nackdelar och krav för att kunna välja det bästa upplägget för givna omständigheter, ", sa Schäfer. "Vi vill också implementera denna port för blandade arter på vårt jon-foton-intrasslingsexperiment, att demonstrera dess användning för att bygga en skalbar kvantdator med fångade joner och använda den för att utföra intrasslingsdestillation."

© 2020 Science X Network