Физики собрали рекордно большой двумерный ионный кристалл

Австрийские физики смогли собрать в ловушке Пауля двумерный ионный кристалл, состоящий из 105 ионов кальция — это самый большой показатель на сегодняшний день. Кристалл был стабилен в течение нескольких секунд, также физикам удалось добиться охлаждения ионов в основное колебательное состояние и доступа к отдельным частицам. В перспективе это позволит существенно расширить квантовые вычисления и квантовые симуляции на ионных массивах. Исследование опубликовано в PRX QUANTUM.

Массивы ионов, выстроенные в ловушках — это перспективная система для квантовых вычислений и квантовых симуляций. Ионы хороши тем, что взаимодействуют друг с другом сильно, а также позволяют удерживать себя электрическими и магнитными полями. За счет этого вычислители на ионах можно сделать компактнее.

Одна из главный проблем этой технологии — масштабируемость. Рекордные 53 иона были собраны группой Монро еще в 2017 году, и дальнейший рост сталкивается с целым рядом технических трудностей. Их можно было бы преодолеть, собирая двумерные упорядоченные структуры. Такие эксперименты проводились, однако тогда физики не имели доступа к управлению отдельными ионами из-за особенностей удерживающих ловушек.

Ситуация изменилась благодаря работе физиков из Инсбрукского университета. Ученые смогли собрать устойчивую двумерную структуру из 105 ионов кальция, удерживаемых монолитной радиочастотной ловушкой Пауля. Им также удалось перевести такой кулоновский кристалл в основное состояние по поперечным колебательным модам, что необходимо для реализации разнообразных протоколов запутывания.

Большая трудность, которая встает на пути удержания двумерных массивов паулевой ловушкой — это высокая чувствительность ионов в неточности расположения ее элементов. Для борьбы с этой проблемой, физики использовали монолитный подход, в котором все элементы ловушки остаются частью одного твердого тела, а потому практически не смещаются относительно друг друга.

Авторы изготавливали электроды таким образом, чтобы сформировать плоский анизотропный потенциал, из-за чего ионный кристалл принимал эллиптическую форму. Их установка давала лазерным лучам доступ к ионам в широком диапазоне углов, что позволило эффективно проводить манипуляции и визуализацию кристалла.

В начале эксперимента физики подвергали лазерной абляции твердотельный кальциевый образец. Они облучали испущенные атомы ионизирующим лучом, после чего ионы попадали в область ловушечных потенциалов, где в течение минуты формировался кристалл. Ученые охлаждали его с помощью метода боковой полосы и метода электромагнитно-индуцированной прозрачности.

В качестве кубитов авторы использовали несколько зеемановских подуровней. Для контроля отдельных ионов они фокусировали свет с помощью двухмерного акустооптического дефлектора. Оказалось, что время когерентности в таких кубитах может быть продлено до 370 миллисекунд при том, что сам кулоновский кристалл остается стабильным в течение нескольких секунд даже без лазерного охлаждения.

Один из путей масштабирования квантовых вычислений на ионах — использовать кудиты вместо кубитов за счет нескольких уровней. Недавно мы рассказывали, как российские физики объединили два кукварта на основе ионов кальция и продемонстрировали на них универсальный набор квантовых операций.