Британские физики достигли значительного прорыва в области мощных ионных квантовых вычислений. В ходе исследования, результаты которого опубликованы в журнале Nature Communications, ученым удалось показать рекордно быстрый и точный перенос ионов иттербия с одного микрочипа на другой. Достигнута частота переноса, равная 2424 герцам, при чрезвычайно низкой вероятности потери иона (не более 7 × 10−8). Важным результатом стало также отсутствие значимого влияния процесса переноса на квантовую когерентность иона. Данный прорыв имеет важное значение для будущей масштабируемости ионных квантовых процессоров. 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.

Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/