En ny kylteknik som använder en enda art av fångade joner för både beräkning och kylning skulle kunna förenkla användningen av kvantladdningskopplade enheter (QCCDs), vilket potentiellt flyttar kvantberäkningen närmare praktiska tillämpningar.
Med hjälp av en teknik som kallas snabb jonbyteskylning, har forskare vid Georgia Tech Research Institute (GTRI) visat att de kunde kyla en kalciumjon – som får vibrationsenergi när man gör kvantberäkningar – genom att flytta en kall jon av samma art i närheten . Efter att ha överfört energi från den heta jonen till den kalla, återförs köldmediejonen till en närliggande behållare för att kylas för vidare användning.
Forskningen rapporteras i tidskriften Nature Communications .
Konventionell jonkylning för QCCD innebär användning av två olika jonarter, med kyljoner kopplade till lasrar med olika våglängder som inte påverkar jonerna som används för kvantberäkning. Utöver de lasrar som behövs för att kontrollera kvantberäkningsoperationerna, kräver denna sympatiska kylningsteknik ytterligare lasrar för att fånga och kontrollera köldmediejonerna, och som både ökar komplexiteten och saktar ner kvantberäkningsoperationerna.
"Vi har visat en ny metod för att kyla joner snabbare och enklare i denna lovande QCCD-arkitektur", säger Spencer Fallek, en GTRI-forskare. "Snabb utbyteskylning kan vara snabbare eftersom transport av kyljoner kräver mindre tid än laserkylning av två olika arter. Och det är enklare eftersom användning av två olika arter kräver drift och kontroll av fler lasrar."
Jonrörelsen sker i en fälla som upprätthålls av exakt styrande spänningar som skapar en elektrisk potential mellan guldkontakter. Men att flytta en kall atom från en del av fällan är lite som att flytta en skål med en kula i botten.
När skålen slutar röra sig måste marmorn bli stillastående – inte rulla runt i skålen, förklarade Kenton Brown, en GTRI-huvudforskare som har arbetat med kvantberäkningsfrågor i mer än 15 år.
"Det är i princip vad vi alltid försöker göra med dessa joner när vi flyttar inneslutningspotentialen, som är som skålen, från en plats till en annan i fällan," sa han. "När vi är klara med att flytta begränsningspotentialen till den slutliga platsen i fällan, vill vi inte att jonen ska flytta runt inuti potentialen."
När den heta jonen och den kalla jonen väl är nära varandra, sker ett enkelt energibyte och den ursprungliga kalla jonen – som nu värms upp av sin interaktion med en datorjon – kan delas av och återföras till en närliggande reservoar av kylda joner.
GTRI-forskarna har hittills visat ett två-jons proof-of-concept-system, men säger att deras teknik är tillämpbar på användningen av flera beräknings- och kyljoner och andra jonarter.
Ett enda energiutbyte tog bort mer än 96 % av värmen – mätt som 102(5) kvanta – från datorjonen, vilket kom som en trevlig överraskning för Brown, som hade förväntat sig att flera interaktioner kunde bli nödvändiga. Forskarna testade energiutbytet genom att variera starttemperaturen för beräkningsjonerna och fann att tekniken är effektiv oavsett starttemperaturen. De har också visat att energiutbytesoperationen kan göras flera gånger.
Värme - huvudsakligen vibrationsenergi - sipprar in i det fångade jonsystemet genom både beräkningsaktivitet och från onormal uppvärmning, såsom oundvikligt radiofrekvent brus i själva jonfällan. Eftersom datorjonen absorberar värme från dessa källor även när den kyls, kommer att ta bort mer än 96 % av energin kräva fler förbättringar, sa Brown.
Forskarna föreställer sig att i ett operativsystem skulle kylda atomer vara tillgängliga i en reservoar vid sidan av QCCD-operationerna och hållas vid en jämn temperatur. Beräkningsjonerna kan inte direkt laserkylas eftersom det skulle radera kvantdata de har.
Överdriven värme i ett QCCD-system påverkar kvantgrindarnas trohet negativt, vilket leder till fel i systemet. GTRI-forskarna har ännu inte byggt en QCCD som använder deras kylningsteknik, även om det är ett framtida steg i forskningen. Annat arbete som ligger framför inkluderar att accelerera kylningsprocessen och studera dess effektivitet vid kylning av rörelse längs andra rumsliga riktningar.
Den experimentella komponenten i det snabba kylningsexperimentet styrdes av simuleringar gjorda för att förutsäga, bland andra faktorer, de vägar som jonerna skulle ta på sin resa inom jonfällan. "Vi förstod definitivt vad vi letade efter och hur vi skulle gå till väga för att uppnå det baserat på teorin och simuleringarna vi hade," sa Brown.
Den unika jonfällan tillverkades av medarbetare vid Sandia National Laboratories. GTRI-forskarna använde datorstyrda spänningsgenereringskort som kunde producera specifika vågformer i fällan, som har totalt 154 elektroder, varav experimentet använde 48. Experimenten ägde rum i en kryostat som hölls vid cirka 4 grader Kelvin.
GTRI:s Quantum Systems Division (QSD) undersöker kvantberäkningssystem baserade på individuella fångade atomjoner och nya kvantsensorenheter baserade på atomsystem. GTRI-forskare har designat, tillverkat och demonstrerat ett antal jonfällor och toppmoderna komponenter för att stödja integrerade kvantinformationssystem. Bland de teknologier som utvecklats är förmågan att exakt transportera joner dit de behövs.
"Vi har mycket fin kontroll över hur jonerna rör sig, hastigheten med vilken de kan föras samman, potentialen de befinner sig i när de är nära varandra, och tidpunkten som är nödvändig för att göra experiment som detta," sa Fallek.
Andra GTRI-forskare som var involverade i projektet var Craig Clark, Holly Tinkey, John Gray, Ryan McGill och Vikram Sandhu. Forskningen gjordes i samarbete med Los Alamos National Laboratory.
Mer information: Spencer D. Fallek et al., Snabb utbyteskylning med fångade joner, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45232-z
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Georgia Institute of Technology
