Skalierbarkeit von Ionenfallen-Quantencomputern

Ich verstehe, dass die Magnetfelder, die benötigt werden, um die Ionen in Ionenfallen-Quantencomputern an Ort und Stelle zu halten, sehr komplex sind. Aus diesem Grund sind derzeit nur 1-D-Computer möglich, was die Kommunikation zwischen Qubits vereinfacht. Es scheint einen Vorschlag für ein 2-D-System mit einer Paul-Falle in diesem Vorabdruck zu geben, aber ich kann anscheinend nicht feststellen, ob dies tatsächlich getestet wurde.

Hängt die Skalierbarkeit von Ionenfallen-Quantencomputern allein davon ab (ob die Ionen in anderen Konfigurationen als einer geraden Linie angeordnet werden können oder nicht) oder sind andere Faktoren damit verbunden? Wenn erstere, welche Fortschritte wurden erzielt? Wenn letzteres der Fall ist, was sind die anderen Faktoren?

Ionenfallen-Quantencomputer halten Ionen im leeren Raum unter Verwendung elektrischer und nicht magnetischer Felder. Bei statischen Feldern ( Earnshaw-Theorem ) ist dies nicht möglich, daher wird ein Wechselfeld verwendet. Der Effekt ist, dass geladene Teilchen wie Ionen ein Feldminimum suchen; Diese Art von Ionenfalle wird auch Quadrupolfalle genannt, da das einfachste (niederwertigste) Feld mit einem Minimum im Raum ein Quadrupolfeld ist. Es ist einfach, Felder anzuordnen, die Ionen entweder auf einen Punkt oder auf eine Linie beschränken, und Ionenfallen-Quantencomputer verwenden letztere. Dies ist jedoch nicht skalierbar, da Berechnungen Bewegungsmodi der Ionen beinhalten, die schwerer zu unterscheiden sind, wenn mehr Ionen vorhanden sind.

Es gibt zwei Ansätze, um diesen Ansatz skalierbar zu machen: Koppeln von Ionenfolgen entweder unter Verwendung von Licht (Photonen) oder durch Verschieben von Ionen von einem linearen Ionenfallenabschnitt zu einem anderen. Die Verwendung von Photonen ist für einen Quantencomputer, der eine Fehlerkorrekturschwelle erreicht, besonders schwierig und derzeit nicht praktikabel. Konzentrieren wir uns daher auf das Versetzen von Ionen.

Mathematisch wahre Quadrupolfallen können nicht so gebaut werden, dass sie Kreuzungen haben, aber das hat die Physiker nicht davon abgehalten, sie trotzdem zu bauen. Der Trick ist, dass man zwar kein Quadrupolfeld in der Mitte der Kreuzung anordnen kann, aber dennoch eine Begrenzung haben kann. Und indem man Ionen mit einem statischen Feld leicht in das begrenzende (alternierende) Feld treibt, kann man einen ausreichend starken Einschluss erzielen. Es wurde sogar gezeigt, dass ein solches Pendeln über eine Kreuzung möglich ist, ohne das Ion signifikant zu erwärmen (seinen Bewegungszustand zu ändern).

Mit solchen Schnittpunkten sind Ionenfallen skalierbar.

Vielleicht möchten Sie sich diesen Bericht von Schaetz et al. Über den Fortschritt in der Physik von 2012 " Experimentelle Quantensimulationen der Vielkörperphysik mit gefangenen Ionen " ansehen ( alternativer Link in semantischer Gelehrter ). In der Summe: Ja, die Anordnung der Ionen ist eine wesentliche Einschränkung der Skalierbarkeit, aber nein, Konfigurationen sind derzeit nicht auf eine einzelne Atomlinie beschränkt . Überprüfen Sie auf diesem Papier Abbildung 3 auf experimentelle Fluoreszenzbilder von lasergekühlten Ionen in einem gemeinsamen Einschlusspotential einer linearen HF-Falle, einschließlich eines einzelnen Ions, einer einzelnen Linie, einer Zick-Zack-Kette und eines dreidimensionalen Konstrukts.

Aus Abbildung 3 in der obigen Veröffentlichung von Schaetz et al .: " Strukturelle Phasenübergänge können zwischen ein-, zwei- und dreidimensionalen Kristallen induziert werden, indem beispielsweise das Verhältnis von radialen zu axialen Einfangfrequenzen verringert wird. " Überprüfungspapiere sollten existieren, aber dies ist das erste, das ich für zufriedenstellend befunden habe. Zugegebenermaßen sind die aktuellen Ergebnisse mehr über direkte Simulation anstatt universelle Berechnung, beispielsweise aus Figur 13 in dem gleichen Papier: " Ändern die experimentellen Parameter nichtadiabatisch während eines strukturellen Phasenüberganges von einer linearen Kette von Ionen zu einer Zick - Zack - Struktur, die Reihenfolge innerhalb Der Kristall zerfällt in Domänen, eingerahmt von topologisch geschützten Defekten, die zur Simulation von Solitonen geeignet sind. "

Zum selben Thema und auch ab 2012 wäre ein weiteres Papier, das es wert ist, untersucht zu werden, zweidimensionale Ising-Wechselwirkungen in einem Quanten-Simulator mit gefangenen Ionen mit Hunderten von Spins (arXiv-Version) ( Nature-Version) . Sie haben das experimentelle Bild wie in Abbildung 1 ; es ist in diesem Fall statt einem Paul - Fall eine Penningfalle der Tat ist es nicht universelle Quanten sind die Berechnung , sondern die spezielle Anwendung der Quantensimulation, aber noch ist es unbestreitbar experimentelle Fortschritte. Ionen in einem 2-D - Trap halten und damit in Richtung Skalierbarkeit voranschreiten.

Ich selbst bin kein Experte für Fallen, aber dies habe ich kürzlich auf einer Konferenz (2017) zur Skalierbarkeit herausgefunden:

• Experimentatoren spielen mit den Potentialen und erzielen interessante Kombinationen, mit quasi kristallinen zentralen Zonen (Ketten, Leitern, Bänder usw.) und exotischen Spitzen (z. B. Bänder oder Leitern, die in einem Atom enden).
• $s^1$$^+$$^+$$^{14}$$^2$
• Kollektive Schwingungen werden als Grundlage für die Interqubit-Kommunikation verwendet. Wie im vorherigen Punkt ist der Atmungsmodus einzigartig stabil und daher bequem zu verwenden, aber auch andere Vibrationen sind zugänglich und würden interessantere Interqubit-Kommunikationsschemata ermöglichen.

Ich bin zwar kein Experimentator und habe diese Systeme noch nicht gründlich untersucht, aber mein (grobes) Verständnis ist folgendes:

In Ionenfallen müssen Sie (mehr oder weniger) die Ionen in Linien einfangen. Dies ist jedoch keine Einschränkung in Bezug auf die Einfachheit der Kommunikation, da Sie wahrscheinlich darüber nachdenken, wenn ein lineares System Interaktionen mit dem nächsten Nachbarn hat, dh jedes Qubit kann nur mit seinen unmittelbaren Nachbarn interagieren. In Ionenfallen ist dies nicht wirklich der Fall, da Sie auf einen gemeinsamen Vibrationsmodus aller Ionen zugreifen können, um beliebige Paare direkt zur Interaktion zu bringen. Das ist wirklich gut.

Das Problem ist die Anzahl der Qubits, die Sie speichern können. Je mehr Atome du in die Falle stellst, desto enger sind ihre Energieniveaus zusammen und desto schwieriger wird es, sie einzeln anzusprechen, um sie zu steuern und Tore zu implementieren. Dies begrenzt in der Regel die Anzahl der Qubits, die Sie in einem einzelnen Überfüllungsbereich haben. Um dies zu umgehen (und mit dem zusätzlichen Plus an Parallelität, das für die Fehlerkorrektur erforderlich ist), möchten die Menschen mehrere unterschiedliche Einfangregionen miteinander interagieren lassen, entweder mit fliegenden Qubits oder indem sie die Atome zwischen verschiedenen Einfangregionen hin- und herbewegen. Dieser zweite Ansatz scheint sehr weit fortgeschritten zu sein. Dies ist der theoretische Vorschlag, aber ich habe sicherlich Aufsätze gesehen, die die grundlegenden Komponenten demonstriert haben .