Forskare vid ETH har lyckats fånga joner med hjälp av statiska elektriska och magnetiska fält och att utföra kvantoperationer på dem. I framtiden skulle sådana fällor kunna användas för att realisera kvantdatorer med mycket fler kvantbitar än vad som hittills varit möjligt.
Energitillstånden för elektroner i en atom följer kvantmekanikens lagar:De är inte kontinuerligt fördelade utan begränsade till vissa väldefinierade värden – detta kallas också kvantisering. Sådana kvantiserade tillstånd är grunden för kvantbitar (qubits), med vilka forskare vill bygga extremt kraftfulla kvantdatorer. För det ändamålet måste atomerna kylas ner och fångas på ett ställe.
Stark fångst kan uppnås genom att jonisera atomerna, vilket innebär att de får en elektrisk laddning. En grundläggande lag för elektromagnetism säger dock att elektriska fält som är konstanta i tiden inte kan fånga en enda laddad partikel. Genom att lägga till ett oscillerande elektromagnetiskt fält får man å andra sidan en stabil jonfälla, även känd som en Paul-fälla.
På så sätt har man under de senaste åren kunnat bygga kvantdatorer med jonfällor innehållande runt 30 qubits. Mycket större kvantdatorer kan dock inte enkelt realiseras med denna teknik. De oscillerande fälten gör det svårt att kombinera flera sådana fällor på ett enda chip, och att använda dem värmer upp fällan - ett mer betydande problem när systemen blir större. Samtidigt är transport av joner begränsad till att passera längs linjära sektioner förbundna med kors.
Jonfälla med magnetfält
Ett team av forskare vid ETH Zürich ledd av Jonathan Home har nu visat att jonfällor lämpliga för användning i kvantdatorer också kan byggas med statiska magnetfält istället för oscillerande fält. I dessa statiska fällor med ett extra magnetfält, kallade Penning-fällor, realiserades både godtycklig transport och nödvändiga operationer för framtidens superdatorer. Forskarna publicerade nyligen sina resultat i den vetenskapliga tidskriften Nature .
"Traditionellt används Penning-fällor när man vill fånga väldigt många joner för precisionsexperiment, men utan att behöva kontrollera dem individuellt", säger Ph.D. student Shreyans Jain. "Däremot, i de mindre kvantdatorerna baserade på joner, används Paul-fällor."
ETH-forskarnas idé att bygga framtida kvantdatorer även med Penning-fällor möttes till en början av skepsis av deras kollegor av olika anledningar. Penning fällor kräver extremt starka magneter, som är mycket dyra och ganska skrymmande.
Alla tidigare realiseringar av Penning-fällor hade också varit mycket symmetriska, något som strukturerna i chipskala som används vid ETH bryter mot. Att placera experimentet inuti en stor magnet gör det svårt att styra laserstrålarna som behövs för att kontrollera qubits i fällan, medan starka magnetfält ökar avståndet mellan energitillstånden för qubits. Detta gör i sin tur kontrolllasersystemen mycket mer komplexa:istället för en enkel diodlaser behövs flera faslåsta lasrar.
Transport i godtyckliga riktningar
Home och hans medarbetare avskräcktes dock inte av dessa svårigheter utan konstruerade en Penning-fälla baserad på en supraledande magnet och ett mikrotillverkat chip med flera elektroder, som tillverkades vid Physikalisch-Technische Bundesanstalt i Braunschweig. Magneten som används levererar ett fält på 3 Tesla, nästan 100 000 gånger starkare än jordens magnetfält. Med hjälp av ett system av kryogent kylda speglar lyckades Zürich-forskarna kanalisera det nödvändiga laserljuset genom magneten till jonerna.
Ansträngningarna lönade sig:En enstaka fångade jon, som kan stanna i fällan i flera dagar, kunde nu flyttas godtyckligt på chippet och koppla ihop punkter "fågelvägen" genom att kontrollera de olika elektroderna – detta var tidigare inte möjligt med gammal metod baserad på oscillerande fält. Eftersom inga oscillerande fält behövs för fällning, kan många av dessa fällor packas på ett enda chip.
– När de väl är uppladdade kan vi till och med helt isolera elektroderna från omvärlden och på så sätt undersöka hur starkt jonerna störs av yttre påverkan, säger Tobias Sägesser, som var med i experimentet som doktor. student.
Forskarna visade också att qubit-energitillstånden för den fångade jonen också kunde kontrolleras samtidigt som kvantmekaniska superpositioner bibehålls. Koherent kontroll fungerade både med jonens elektroniska (inre) tillstånd och de (externa) kvantiserade oscillationstillstånden samt för att koppla de interna och externa kvanttillstånden. Det senare är en förutsättning för att skapa intrasslade tillstånd, som är viktiga för kvantdatorer.
Som ett nästa steg vill Home fånga två joner i närliggande Penning-fällor på samma chip och på så sätt demonstrera att kvantoperationer med flera qubits också kan utföras. Detta skulle vara det definitiva beviset på att kvantdatorer kan realiseras med joner i Penning-fällor. Professorn har även andra tillämpningar i åtanke. Till exempel, eftersom jonerna i den nya fällan kan flyttas flexibelt, kan de användas för att sondera elektriska, magnetiska eller mikrovågsfält nära ytor. Detta öppnar för möjligheten att använda dessa system som atomsensorer för ytegenskaper.
Mer information: Shreyans Jain et al, Penning micro-trap for quantum computing, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07111-x
Tillhandahålls av ETH Zürich
