Иллюстрация: Dominik Kiesenhofer et al. / PRX QUANTUM, N + 1. Группа Австрийскиз физиков осуществила удержание в ловушке двумерного ионного кристалла, образованного 105 ионами кальция, что представляет собой рекордный показатель на сегодняшний день. Кристалл сохранял полную стабильность на протяжении нескольких секунд, а учёным также удалось добиться охлаждения ионов до основного колебательного состояния и обеспечить доступ к отдельным частицам. В перспективе данное достижение может значительно расширить возможности квантовых вычислений и квантового моделирования на ионных массивах. Результаты исследования опубликованы в журнале PRX QUANTUM. Массивы ионов, удерживаемые в ловушках, являются многообещающей платформой для квантовых вычислений и симуляций. Преимуществом ионов выступает их сильное взаимное взаимодействие, а также возможность удержания их с помощью электрических и магнитных полей.
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.
Фотография ионной ловушки внутри вакуумной камеры. Dominik Kiesenhofer et al. / PRX QUANTUM
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.
Фотография массива, состоящего из 91 иона кальция. Dominik Kiesenhofer et al. / PRX QUANTUM
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.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
