Jakie jony wykorzystują komputery kwantowe w pułapce?

Komputery kwantowe w pułapce jonowej należą do najbardziej obiecujących metod obliczeń kwantowych na dużą skalę. Ogólna idea polega na zakodowaniu kubitów w stanach elektronicznych każdego jonu, a następnie kontroli jonów za pomocą sił elektromagnetycznych.

W tym kontekście często widzę, że eksperymentalna realizacja wykorzystania pułapkowanych systemów jonowych ${}^{40}\!\operatorname{Ca}^+$Jony Ca + (patrz np.1803.10238). Czy tak jest zawsze? Jeśli nie, to jakie inne jony są lub mogą być użyte do budowy tego rodzaju uwięzionych systemów jonowych? Jakie są główne cechy, że jony muszą być wygodnie stosowane do budowy urządzeń z pułapką jonową?

$\require{\mhchem}$

Istnieje prawie zbyt wiele gatunków jonów, aby je wymienić, które zostały wykorzystane w obliczeniach kwantowych opartych na pułapce jonowej lub powiązanych eksperymentach. Zwykle jest to taki, który po zjonizowaniu jest podobny do wodoru, co ma wygodne konsekwencje dla jego spektroskopii laserowej: wtedy silny, zwykle$20$Szerokie przejście w MHz leży w UV lub niebieskim końcu dostępnego laserowo spektrum (a nie w próżniowym UV, tak jak w przypadku jonów, które wymagają więcej niż pojedynczej jonizacji, aby stały się podobne do wodoru). Widmo pozostaje względnie proste (jeśli jest podobne do wodoru), co oznacza, że ​​istnieje ograniczona liczba innych stanów, które mogą wymagać własnego lasera jako lasera repumper. Korzystne może być posiadanie jednego optycznego stanu metastabilnego, który wymaga lasera repucer, ponieważ może on być stosowany w pomiarach i przygotowaniu stanu (lub, nietypowo, do reprezentowania jednego stanu kubitowego).

Wreszcie, zazwyczaj (ale nie zawsze) potrzebujesz jonu, który ma strukturę nadsubtelną, ponieważ pozwala to na użycie stanów nadsubtelnych z zaledwie kilkoma odstępami energii jako stanów kubitowych. Stany te są korzystne, ponieważ mają stuletnie czasy rozpadu, co oznacza, że ​​praktycznie nie masz dekoherencji po prostu z ich spontanicznego rozpadu (ale masz dekoherencję od pól magnetycznych, do których dobrze wybrane stany nie mają jednak liniowego i tylko kwadratowego zależność).$\mathrm{GHz}$

Wygodne jest także posiadanie jonu o niskiej masie, ponieważ pozwala to na zbudowanie pułapki jonowej o wyższych częstotliwościach ruchowych (jon jest silniej ograniczony, jeśli jego stosunek ładunku do masy jest wysoki). Wysokie częstotliwości ruchowe oznaczają mniejsze (anomalne) ogrzewanie wewnątrz pułapki jonowej i możliwość szybszych kubitowych prędkości bramki.$2$

Jednym z najbardziej popularnych gatunków jonów jest ponieważ masz wszystkie wymagane lasery w obszarze spektralnym (IR i widzialnym), w którym możesz je budować z względną prostotą i istnieje wygodna metastabilność stan o szerokości około (i jeden o szerokości około który nie ma znaczenia), i ma szczególnie prostą strukturę ze względu na spin jądrowy . jest prawie tak samo dobry: jeśli możesz żyć bez hiper-drobnej struktury, ma równie proste wymagania dotyczące lasera i stosunkowo niską masę, a jednocześnie dostosowując lasery do$\ce{^{171}Yb^+}$ 1 N H z 1 / 2 Ca +$1\ \mathrm{Hz}$$1\ \mathrm{nHz}$$1/2$$\ce{Ca^+}$$\ce{^{40}Ca^+}$$\ce{^{43}Ca^+}$zyskujesz strukturę nadsubtelną kosztem jej dość skomplikowanej ze względu na spin jądrowy . Niektóre grupy ścigają co jest fajne, ponieważ jest tak lekkie i potrzebuje tylko laserów o zasadniczo tej samej długości fali, choć trudne ( ). Wiele innych jonów zostało wykorzystanych eksperymentalnie, w tym , a dobre przedstawienie ważnych właściwości można znaleźć w „Ion Periodic Table” Chrisa Monroe .$7/2$$\ce{^9Be^+}$Sr + Hg $313\ \mathrm{nm}$$\ce{Sr^+}$$\require{\mhchem}\ce{Hg^+}$