Skalowalność komputerów kwantowych pułapek jonowych

Rozumiem, że pola magnetyczne potrzebne do utrzymania jonów w miejscu w kwantowych pułapkach jonowych są bardzo złożone i z tego powodu obecnie możliwe są tylko komputery 1-D, zmniejszając w ten sposób łatwość komunikacji między kubitami. Wydaje się, że jest propozycja dla systemu 2-d wykorzystującego pułapkę Paula w tym przedruku, ale nie mogę znaleźć, czy to faktycznie zostało przetestowane.

Czy skalowalność komputerów kwantowych pułapek jonowych zależy tylko od tego (czy jony mogą być ustawione w konfiguracjach innych niż linia prosta), czy też pociąga za sobą inne czynniki? Jeśli tak, jaki postęp został osiągnięty? Jeśli to drugie, jakie są inne czynniki?

Komputery kwantowe pułapek jonowych utrzymują jony w pustej przestrzeni za pomocą pól elektrycznych, a nie magnetycznych. Jest to niemożliwe przy użyciu pól statycznych ( twierdzenie Earnshawa ), dlatego stosuje się zmienne pole. Skutkuje to tym, że naładowane cząstki, takie jak jony, poszukują minimum pola; ten typ pułapki jonowej jest również nazywany pułapką kwadrupolową, ponieważ najprostszym (najniższym rzędem) polem mającym minimum w przestrzeni jest pole kwadrupolowe. Łatwo jest ustawić pola, które ograniczają jony albo do punktu, albo do linii i pułapki jonowej, z których korzystają komputery kwantowe. Jednak nie skaluje się, ponieważ obliczenia obejmują tryby ruchome jonów, które stają się trudniejsze do odróżnienia, gdy jest więcej jonów.

Istnieją dwa podejścia, aby uczynić to podejście skalowalnym: łączenie łańcuchów jonów za pomocą światła (fotonów) lub poprzez przemieszczanie jonów z jednego do drugiego, takiego liniowego odcinka pułapki jonowej. Korzystanie z fotonów jest szczególnie trudne i dalekie od praktycznego dla komputera kwantowego, który spełnia próg korekcji błędów, więc skupmy się na przenoszeniu jonów.

Matematycznie prawdziwe pułapki kwadrupolowe nie mogą być budowane tak, by miały skrzyżowania, ale to i tak nie powstrzymało fizyków przed ich wykonaniem. Sztuczka polega na tym, że chociaż nie można ustawić pola kwadrupolowego w środku skrzyżowania, nadal można go zamknąć. A poprzez lekkie wbicie jonów w pole ograniczające (przemienne) za pomocą pola statycznego można uzyskać wystarczająco silne zamknięcie. Wykazano nawet, że taki wahadłowiec na skrzyżowaniu jest możliwy bez znacznego podgrzewania jonu (zmiana jego stanu ruchowego).

Przy takich skrzyżowaniach pułapki jonowe są skalowalne.

Być może zechcesz sprawdzić to Schaetz i in., Reports on Progress in Physics of 2012 „ Eksperymentalne symulacje kwantowe fizyki wielu ciał z uwięzionymi jonami ” ( alternatywny link w semantycecholar ). Podsumowując: tak, rozmieszczenie jonów jest jednym kluczowym ograniczeniem skalowalności, ale nie, konfiguracje nie są obecnie ograniczone do pojedynczej linii atomów . Na tym papierze sprawdź ryc. 3, aby zobaczyć eksperymentalne obrazy fluorescencyjne chłodzonych laserowo jonów we wspólnym potencjale ograniczającym liniowej pułapki RF, w tym pojedynczego jonu, pojedynczej linii, zygzakowatego łańcucha i trójwymiarowej konstrukcji.

Z ryc. 3 w powyższym artykule Schaetza i in .: „ Strukturalne przejścia fazowe mogą być indukowane między jedno-, dwu- i trójwymiarowymi kryształami, na przykład poprzez zmniejszenie stosunku częstotliwości pułapkowania promieniowego do osiowego. ” Jestem pewien, że nowsze artykuły przeglądowe powinny istnieć, ale jest to pierwszy, który uznałem za zadowalający. Trzeba przyznać, że obecne wyniki dotyczą raczej bezpośredniej symulacji niż uniwersalnych obliczeń, np. Z ryc. 13 w tym samym artykule: „ Nieadiabatyczna zmiana parametrów eksperymentalnych podczas strukturalnego przejścia fazowego z liniowego łańcucha jonów na zygzakowatą strukturę, kolejność w granicach kryształ rozpada się w domenach, otoczony topologicznie chronionymi defektami, które są odpowiednie do symulacji solitonów. ”

Na ten sam temat, a także od 2012 r., Innym dokumentem wartym sprawdzenia będzie Inżynieria dwuwymiarowa interakcja Isinga w symulatorze kwantowym uwięzionym z setkami spinów (wersja arXiv) ( wersja Nature . Masz eksperymentalny obraz jak na rycinie 1 ; w tym przypadku jest to pułapka Penninga, a nie pułapka Paula. Rzeczywiście, nie jest to uniwersalne obliczenie kwantowe, ale raczej wyspecjalizowane zastosowanie symulacji kwantowej, ale nadal jest niezaprzeczalnie eksperymentalnym postępem w kierunku utrzymywania jonów w miejscu w pułapce 2-D i tym samym postęp w kierunku skalowalności.

Nie jestem ekspertem od pułapek, ale to, co zyskałem na skalowalności podczas ostatniej (2017) konferencji:

• Eksperymentaliści bawią się potencjałami i osiągają interesujące kombinacje, z centralnymi strefami, które są quasi-krystaliczne (łańcuchy, drabiny, wstążki itp.) I egzotyczne końcówki (np. Wstążki lub drabiny, które kończą się w jednym atomie).
• Większość popularnych jonów ma konfigurację typu [gaz szlachetny] (jak Ca ), najlepiej bez spinu jądrowego, ale jest to dla wygody i prostoty. Dostęp do stanów nadsubtelnych i / lub bardziej złożonej struktury poziomu wirowania (np. Yb = [Xe] f s ) otwiera drzwi do bogatszej przestrzeni Hilberta na jon.+ + 14$s^1$$^+$$^+$$^{14}$$^2$
• Wibracje zbiorowe są wykorzystywane jako podstawa komunikacji między podrzędami. Podobnie jak w poprzednim punkcie, tryb oddychania jest wyjątkowo stabilny, a zatem wygodny w użyciu, ale inne wibracje są również dostępne i pozwoliłyby na bardziej interesujące schematy komunikacji między podrzędami.

Chociaż nie jestem eksperymentatorem i nie badałem tych systemów dogłębnie, moje (prymitywne) rozumienie jest następujące:

W pułapkach jonowych musisz (mniej więcej) uwięzić jony w liniach. Nie jest to jednak ograniczenie pod względem łatwości komunikacji, ponieważ prawdopodobnie myślisz o tym, gdy układ liniowy ma interakcje z najbliższymi sąsiadami, tj. Każdy kubit może oddziaływać tylko z bezpośrednimi sąsiadami. W pułapkach jonowych nie jest to tak naprawdę prawdą, ponieważ można uzyskać dostęp do wspólnego trybu wibracji wszystkich jonów w celu bezpośredniego oddziaływania dowolnych par. Tak naprawdę to naprawdę dobrze.

Problemem jest liczba kubitów, które można przechowywać. Im więcej atomów umieścisz w pułapce, tym bliżej siebie będą znajdować się poziomy ich energii i tym trudniej będzie im się indywidualnie zająć, aby je kontrolować i wprowadzić bramki. Ogranicza to liczbę kubitów w jednym obszarze pułapkowania. Aby obejść ten problem (oraz z dodatkową premią do równoległości, niezbędną do korekcji błędów), ludzie chcą współdziałać z wieloma odrębnymi regionami pułapkowania, albo z latającymi kubitami, albo poprzez przenoszenie atomów między różnymi regionami pułapkowania. To drugie podejście wydaje się być bardzo w toku. To jest propozycja teorii, ale z pewnością widziałem artykuły, które zademonstrowały podstawowe elementy .