Физики научились переносить ионы между чипами с рекордной скоростью

Британские физики продемонстрировали рекордно быстрый и точный перенос ионов иттербия с одного чипа на другой. Это необходимо для будущего масштабирования ионных квантовых процессоров. Ученые добились частоты переноса, равной 2424 герцам, с вероятностью потерять ион не более 7 × 10⁻⁸. Они также не увидели сколь либо значимого влияния переноса на квантовую когерентность иона. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Устройство квантового компьютера хорошо понятно физикам на концептуальном уровне. Его практическая реализация — это долгосрочная цель, к которой ведут несколько разных путей. Фактически, мы имеем дело с гонкой за квантовое первенство, которая происходит не только в плоскости разных компаний, но и разных физических платформ: сверхпроводниковых, ионных, квантовоточечных и так далее. Подробнее о квантовой гонке читайте в интервью с Русланом Юнусовым «У кого кубитов больше».

Разные реализации кубитов имеют различные преимущества. Так, ионные кубиты отличаются часовым временем когерентности, что существенно больше, чем у конкурирующих платформ. Однако здесь, как и в других сценариях, остро стоит проблема масштабирования квантового вычислителя. Для ее решения ученые предлагают использовать модульный подход, разбивая процессор на подпроцессоры с зарядовой связью (quantum charge-coupled device, QCCD).

Чтобы такой подход работал, физикам надо научиться передавать квантовую информацию между отдельными QCCD. Это можно делать, кодируя ее в состояния фотонов. К сожалению, внедрение ионно-оптического интерфейса существенно замедляет вычисления. Другой способ основан на транспорте самих ионов. Именно ему посвящено исследование Марьям Ахтар (Mariam Akhtar) из Сассекского университета и ее британских коллег.

В качестве связывающихся устройств авторы использовали линейные ловушки Пауля, размещенные на чипе и разделенные на зоны. Модуль Алиса содержал зону загрузки ионов из атомного пучка, с другой его стороны был интерфейс для связи с модулем Боб. И хотя зазор между модулями в эксперименте был равен 10 микрометрам, реальное расстояние, которое преодолевали ионы было больше — 684 микрометра — из-за того, что физики проводили транспорт не с приграничных зон, а со следующих за ними. Это позволяло избежать межмодульного влияния при хранении до и после переноса. Сам перенос ученые проводили с помощью несущей потенциальной ямы.

Авторы работали с двумя типами ионов: ¹⁷⁴Yb⁺ и ¹⁷¹Yb⁺. Состояния первых отличались большим временем жизни, а потому хорошо подходили для исследования декогеренции в результате переноса. Вторые высвечивали быстрее, поэтому физики использовали их для измерения потери самих ионов на интерфейсе.

В ходе первой части своей работы исследователи запускали в Алису ион ¹⁷⁴Yb⁺ и многократно гоняли его через интерфейс к Бобу и обратно, тратя на один транспорт рекордные 412,5 микросекунды, что эквивалентно частоте передачи 2424 герц. Ион терялся по прошествии лишь большого числа переносов, позволив установить верхний предел на ошибку передачи, равный 7 × 10⁻⁸. Суммарное расстояние, пройденное им, оказалось равно 10,26 километра со средней скоростью 1,66 метра в секунду.

Вторая часть эксперимента была связана с транспортировкой иона ¹⁷¹Yb⁺ и оценкой его когерентности с помощью интерферометрии Рамзея. Авторы измеряли время декогеренции после 0, 2 и 100 событий переноса и не увидели ощутимого влияния транспорта на этот параметр. В будущем физики планируют сконцентрироваться на усовершенствовании установки, чтобы добиться более низкого механического состояния ионов в ловушках.

Недавно мы рассказывали, как физики запутали два иона, разделенных расстоянием в 230 метров.