Новая технология охлаждения с использованием захваченных ионов упрощает использование квантовых приборов с зарядовой связью

Новый метод охлаждения, использующий один вид ионов в ловушке, может приблизить квантовые вычисления к практическому применению.

Охлаждение архитектуры QCCD

Избыточное тепло в квантовом приборе с зарядовой связью (QCCD) может негативно повлиять на точность квантовых затворов и внести ошибки в вычислительную систему. Традиционно ионное назначение системы охлаждения QCCD предполагает использование двух различных видов ионов. Эта техника включает охлаждение ионов, соединенных с лазерами другой длины волны, которые не влияют на ионы, используемые для квантовых вычислений.

Помимо лазеров, необходимых для управления квантовыми вычислениями, этот метод симпатического охлаждения требует дополнительных лазеров для улавливания и контроля ионов хладагента. И то, и другое приводит к увеличению сложности и замедлению операций квантовых вычислений.

Инновационная техника охлаждения
В Исследовательском институте Джорджии (Georgia Tech Research Institute, GTRI) ученые показали, что могут охлаждать ион кальция, перемещая поблизости холодный ион того же вида. О результатах их исследования сообщается в статье "Быстрое обменное охлаждение с помощью захваченных ионов".

Исследователи обнаружили, что быстрое обменное охлаждение может быть более быстрым, поскольку транспортировка охлаждающих ионов двух разных видов требует меньше времени, чем лазерное охлаждение. Этот метод также более прост, поскольку для двух других видов необходимо управлять большим количеством лазеров.

Движение ионов происходит в ловушке, управляемой напряжением, создающим электрический потенциал между золотыми контактами. Перемещение холодного атома из одной части ловушки можно сравнить с перемещением чаши с мрамором на дне. Когда чаша перестает двигаться, мрамор, как ожидается, будет неподвижен и не будет катиться по чаше.

По сути, именно это исследователи пытаются сделать с ионами при перемещении ограничивающего потенциала из одного места в другое в ловушке. Когда они заканчивают перемещать ограничивающий потенциал в конечное место в ловушке, они не хотят, чтобы ион перемещался внутри потенциала.

Когда горячие и холодные ионы сближаются, происходит простой обмен энергией, и первоначальный холодный ион может быть отделен и возвращен в близлежащий резервуар с охлажденными ионами. Исследователи GTRI продемонстрировали двухионную систему, но эта методика может быть применена и к нескольким вычислительным и охлаждающим ионам и другим видам ионов.

Оценивая эффективность быстрого обменного охлаждения, ученые руководствовались моделированием, чтобы предсказать пути, по которым ионы будут двигаться в ионной ловушке. Сотрудники Сандийской национальной лаборатории разработали уникальный процесс улавливания ионов. Исследовательская группа использовала управляемые компьютером платы генерации напряжения для создания определенных форм волны в ловушке. В ней 154 электрода, из которых в исследовании использовалось 48. Исследования проводились в криостате, поддерживаемом при температуре 4 градуса Кельвина.

Специалисты GTRI еще не создали QCCD, в котором бы применялась их методика охлаждения, хотя это может стать будущим шагом в исследовании. В ближайшие годы исследовательская группа планирует ускорить процесс охлаждения и изучить его эффективность при охлаждении движения и других пространственных направлений.