Физики изготовили микроловушку Пеннинга для квантовых вычислений

Европейские физики продемонстрировали работу ловушки Пеннинга для одиночного иона с точностью позиционирования порядка нескольких микрометров и временем когерентности порядка нескольких микросекунд. В ее основе лежит создание сильного магнитного поля с помощью микроскопического сверхпроводящего магнита. В перспективе такие устройства послужат строительными блоками для ионных квантовых компьютеров с подвижными кубитами. Исследование опубликовано в Nature.

Среди множества физических платформ для реализации квантовых компьютеров массивы ионов, подвешенных в ловушках, выделяются большими временами когерентности (до одного часа) и высокой эффективностью квантовых операций. Мы подробно рассказывали про эту технологию в материале «Квантовое преследование».

Практическая реализация ионных кубитов зависит от множества параметров, например, используемых химических элементов. Важно также и то, как именно подвешены ионы. Так, популярность приобрели ловушки Пауля, в которых цепочку ионов удерживает радиочастотное поле. В последние года, однако, масштабирование этой технологии столкнулось с пределом, вызванным слишком сильным нагревом ионов со стороны радиоволн, а также трудностями при согласовании полей. Из-за этого размер достижимых ионных кристаллов существенно не превышает сотни частиц даже для двумерной упаковки. Альтернативой ей стало удерживание ионов с помощью электро- и магнитостатических полей в ловушках Пеннинга, но этот подход требует дальнейшего усовершенствования контроля над положениями ионов в пространстве и миниатюризации, прежде чем можно приступать к созданию полноценного квантового компьютера.

На решение этой задачи направили свои усилия Шрейанс Джайн (Shreyans Jain) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и его коллеги из Германии и Швейцарии. Ученые обратились к идее о том, что ионы в квантовом компьютере не просто подвешены неподвижно, а сами перемещаются в пространстве. Такой подход позволяет реализовывать квантовые вентили без необходимости использовать фотоны в качестве переносчиков когерентности — последнее сильно замедляет работу чипа.

Главной трудностью при этом стало создание сильного магнитного поля в малой области пространства, поскольку в противном случае эффект Зеемана станет влиять на энергетические уровни соседних кубитов. Для борьбы с этим препятствием физики использовали технику, применяемую в процессорах с зарядовой связью (quantum charge-coupled device, QCCD), где поле создает сверхпроводящий магнит. Эти устройства позволили порождать поле с индукцией до трех тесла с точностью позиционирования иона до нескольких микрометров. Для контроля кубита исследователи использовали лазерный свет, фокусируемый криогенно охлаждаемыми зеркалами.

В результате физики добились того, что время хранения иона бериллия в ловушке достигло нескольких дней, что открывает дорогу к длинным цепочкам вентилей, основанных на ионном транспорте. Проводя серии однокубитных операций и спектроскопию Рамзея, они убедились, что время когерентности в их установке может достигать нескольких миллисекунд.

В будущем ученые собираются разместить на чипе два иона в соседних ловушках Пеннинга и попытаться провести двухкубитные операции. В случае успеха это станет весомым доказательством того, что квантовые компьютеры можно реализовать в рамках такого подхода. Авторы отмечают, что у новой технологии есть и другое применение — состояние подвешенного иона чувствительно к окружающим полям, что можно использовать при создании поверхностных датчиков.

Ранее мы уже рассказывали про успехи в транспорте подвешенных ионов между квантовыми чипами: тогда ученым удалось поставить рекорд в точности и скорости. Однако в том случае использовались ловушки Пауля.