Sıkışmış iyon kuantum bilgisayarı - Trapped ion quantum computer

NIST'de 2011'den kuantum hesaplama için çip iyon tuzağı.

Bir tuzak iyon kuantum bilgisayar büyük ölçekli bir önerilen yaklaşım kuantum bilgisayar . İyonlar veya yüklü atomik parçacıklar, elektromanyetik alanlar kullanılarak serbest uzayda sınırlandırılabilir ve askıya alınabilir . Qubit'ler , her iyonun kararlı elektronik durumlarında depolanır ve kuantum bilgisi , iyonların ortak bir kuantize hareketi aracılığıyla ( Coulomb kuvveti aracılığıyla etkileşime girerek ) aktarılabilir . Lazerler indüklemek için uygulanır kuplaj kübit durumları arasında (tek kübit işlemleri için) veya iç kübit durumları ile dış hareket durumları (kübitler arasındaki dolaşma için) arasındaki bağlantı.

Kuantum bilgisayarın temel işlemleri, tuzaklanmış iyon sistemlerinde şu anda en yüksek doğrulukla deneysel olarak gösterilmiştir. Sistemi keyfi olarak çok sayıda kübite ölçeklendirmek için geliştirilmekte olan umut verici planlar arasında, iyonların bir dizi iyon tuzağı içinde uzamsal olarak farklı konumlara taşınması , uzaktan dolaşmış iyon zincirlerinin fotonik olarak bağlı ağları aracılığıyla büyük dolaşmış durumlar inşa edilmesi ve bu iki fikrin kombinasyonları yer alıyor. Bu, sıkışmış iyon kuantum bilgisayar sistemini ölçeklenebilir, evrensel bir kuantum bilgisayar için en umut verici mimarilerden biri yapar. Nisan 2018 itibariyle, kontrol edilebilir şekilde dolanabilecek en fazla parçacık sayısı 20 sıkışmış iyondur.

Tarih

Kontrollü-DEĞİL kuantum geçidi için ilk uygulama şeması , 1995 yılında özellikle kapana kısılmış iyon sistemi için Ignacio Cirac ve Peter Zoller tarafından önerildi . Aynı yıl, NIST Ion Storage Group'ta kontrollü DEĞİL kapısında önemli bir adım deneysel olarak gerçekleştirildi ve kuantum hesaplama araştırmaları dünya çapında yükselmeye başladı.

Basitleştirilmiş ölçekli model

2021'de Innsbruck Üniversitesi'nden araştırmacılar , dünyanın ilk kalite standartlarını karşılayan kompakt hapsedilmiş iyon kuantum bilgisayarı olan iki 19 inçlik sunucu rafına uyan bir kuantum bilgi işlem göstericisini sundular .

Paul iyon tuzağı

Innsbruck'ta bir dizi Kalsiyum iyonu için klasik doğrusal Paul tuzağı.

Şu anda kapana kısılmış iyon kuantum hesaplama araştırmalarında kullanılan elektrodinamik iyon tuzağı , 1950'lerde ( 1989'da çalışmaları için Nobel Ödülü'nü alan) Wolfgang Paul tarafından icat edildi . Earnshaw teoremi nedeniyle, yüklü parçacıklar sadece elektrostatik kuvvetler tarafından 3B'de tutulamaz . Bunun yerine, radyo frekansında (RF) salınan bir elektrik alanı uygulanır ve RF frekansında dönen bir eyer şeklinde bir potansiyel oluşturur. RF alanı doğru parametrelere (salınım frekansı ve alan gücü) sahipse, yüklü parçacık , bir dizi Mathieu denklemi tarafından tanımlanan hareketle, bir geri yükleme kuvveti tarafından eyer noktasında etkin bir şekilde yakalanır .

Bu eyer noktası, potansiyel alanındaki iyonlar için minimum enerji büyüklüğü noktasıdır . Paul tuzağı genellikle iyonları iki boyutta (varsayılan ve genellik kaybı olmadan) yakalayan ve iyonları yönde tutmayan harmonik bir potansiyel kuyusu olarak tanımlanır . Eyer noktasında birden fazla iyon olduğunda ve sistem dengede olduğunda, iyonlar yalnızca hareket etmekte serbesttir . Bu nedenle, iyonlar birbirini itecek ve en basit durumda sadece birkaç iyondan oluşan doğrusal bir iplik olan 'de dikey bir konfigürasyon oluşturacaktır . Aynı tuzakta birçok iyon başlatılırsa, artan karmaşıklığa sahip Coulomb etkileşimleri daha karmaşık bir iyon konfigürasyonu yaratacaktır. Ayrıca, eklenen iyonların ek titreşimleri, kuantum sistemini büyük ölçüde karmaşıklaştırır, bu da başlatmayı ve hesaplamayı daha zor hale getirir. ${\displaystyle |E(\mathbf {x} )|}$${\görüntüleme stili {\şapka {x}}}$${\ Displaystyle {\widehat {y}}}$${\ Displaystyle {\widehat {z}}}$${\ Displaystyle {\widehat {z}}}$${\ Displaystyle {\widehat {z}}}$

Tuzağa düşürüldükten sonra iyonlar öyle bir şekilde soğutulmalıdır (bkz. Lamb Dicke rejimi ). Bu, Doppler soğutma ve çözümlenmiş yan bant soğutmanın bir kombinasyonu ile elde edilebilir . Bu çok düşük sıcaklıkta, iyon tuzağındaki titreşim enerjisi, kütle titreşim modlarının merkezi olarak adlandırılan iyon zincirinin enerji öz durumları tarafından fononlara nicelenir. Tek bir fononun enerjisi bağıntı tarafından verilir . Bu kuantum durumları, kapana kısılmış iyonlar birlikte titreştiğinde ve dış ortamdan tamamen izole olduklarında meydana gelir. İyonlar düzgün bir şekilde izole edilmezse, iyonların harici elektromanyetik alanlarla etkileşime girmesi sonucu gürültü oluşabilir, bu da rastgele hareket yaratır ve nicelenmiş enerji durumlarını yok eder. ${\displaystyle k_{\rm {B}}T\ll \hbar \omega _{z}}$${\displaystyle \hbar \omega _{z}}$

Kuantum hesaplama için gereksinimler

Bir tuzakta magnezyum iyonları.

İşlevsel bir kuantum bilgisayar için tam gereksinimler tam olarak bilinmemektedir, ancak genel olarak kabul edilen birçok gereksinim vardır. David DiVincenzo , kuantum hesaplama için bu kriterlerden birkaçını özetledi .

kübitler

Herhangi bir iki seviyeli kuantum sistemi bir kübit oluşturabilir ve bir iyonun elektronik durumlarını kullanarak bir kübit oluşturmanın iki baskın yolu vardır:

1. İki temel durum aşırı ince seviyesi (bunlara "aşırı hassas kübitler" denir)
2. Temel durum seviyesi ve uyarılmış seviye (bunlara "optik kübitler" denir)

Aşırı ince kübitler son derece uzun ömürlüdür (binlerce ila milyonlarca yıl arasında bozulma süresi) ve faz/frekans kararlıdır (geleneksel olarak atomik frekans standartları için kullanılır). Optik kübitler, mantık geçidi çalışma süresiyle ( mikrosaniye düzeyinde) karşılaştırıldığında, nispeten uzun ömürlüdür (bir saniyelik bozulma süresi ile ). Her tür kübitin kullanımı, laboratuvarda kendine özgü zorluklar doğurur.

başlatma

İyonik kübit durumları, optik pompalama adı verilen bir işlem kullanılarak belirli bir kübit durumunda hazırlanabilir . Bu süreçte, bir lazer iyonu bazı uyarılmış durumlarla birleştirir ve bunlar sonunda lazere bağlı olmayan bir duruma bozunur. İyon bu duruma ulaştığında, o lazerin varlığında çiftleşecek uyarılmış seviyeleri yoktur ve bu nedenle bu durumda kalır. İyon diğer durumlardan birine bozunursa, lazer iyonu lazerle etkileşime girmeyen duruma bozunana kadar uyarmaya devam edecektir. Bu başlatma işlemi birçok fizik deneyinde standarttır ve son derece yüksek doğrulukla (>%99.9) gerçekleştirilebilir.

Sistemin kuantum hesaplaması için başlangıç ​​durumu bu nedenle iyonlar tarafından aşırı ince ve hareket temel durumlarında tanımlanabilir, bu da kütle fonon durumunun bir başlangıç ​​merkezi (sıfır fonon) ile sonuçlanır . ${\görüntüleme stili |0\menzil }$

Ölçüm

Bir iyonda depolanan kübitin durumunu ölçmek oldukça basittir. Tipik olarak, iyona, kübit durumlarından yalnızca birini eşleştiren bir lazer uygulanır. Ölçüm işlemi sırasında iyon bu duruma çöktüğünde, lazer onu uyaracak ve iyon uyarılmış durumdan bozunduğunda bir foton salınmasına neden olacaktır. Bozulmadan sonra, iyon lazer tarafından sürekli olarak uyarılır ve tekrar tekrar fotonlar yayar. Bu fotonlar, bir fotoçoğaltıcı tüp (PMT) veya bir şarj bağlantılı cihaz (CCD) kamerası ile toplanabilir . İyon diğer kübit durumuna çökerse, lazerle etkileşime girmez ve hiçbir foton yayılmaz. Toplanan fotonların sayısı sayılarak iyonun durumu çok yüksek bir doğrulukla (>%99.9) belirlenebilir.

Keyfi tek kübit dönüşü

Evrensel kuantum hesaplamanın gereksinimlerinden biri, tek bir kübitin durumunu tutarlı bir şekilde değiştirmektir. Örneğin, bu, 0'da başlayan bir kübiti, kullanıcı tarafından tanımlanan herhangi bir 0 ve 1 üst üste bindirme haline dönüştürebilir. Sıkışmış bir iyon sisteminde, bu genellikle aşırı ince kübitler için manyetik dipol geçişleri veya uyarılmış Raman geçişleri ve optik kübitler için elektrikli dört kutuplu geçişler kullanılarak yapılır. "Döndürme" terimi , bir kübit saf halinin Bloch küre temsilini ima eder . Kapı aslına uygunluğu %99'dan fazla olabilir.

Dönme operatörler ve bir dış elektromanyetik alanın frekans yönlendirme ve zaman belirli miktarda alanına iyonları açığa tek tek iyonlar uygulanabilir. Bu kontroller , formun bir Hamiltonyeni'ni oluşturur . Burada ve spinin yükseltme ve alçaltma operatörleridir (bkz. Merdiven operatörü ). Bu döndürmeler, kuantum hesaplamada tek kübitlik kapılar için evrensel yapı taşlarıdır. ${\displaystyle R_{x}(\theta )}$${\displaystyle R_{y}(\theta )}$${\displaystyle H_{I}^{i}=\hbar \Omega /2(S_{+}\exp(i\phi )+S_{-}\exp(-i\phi ))}$${\ Displaystyle S_{+}}$${\ Displaystyle S_{-}}$

İyon-lazer etkileşimi için Hamiltonian'ı elde etmek için Jaynes–Cummings modelini uygulayın . Hamiltonian bulunduğunda, kübit üzerinde gerçekleştirilen üniter işlemin formülü, kuantum zaman evrimi ilkeleri kullanılarak türetilebilir. Bu model dönen dalga yaklaşımını kullanmasına rağmen , tuzaklanmış iyon kuantum hesaplama amaçları için etkili olduğunu kanıtlar.

İki kübit dolaşan kapı

1995 yılında Cirac ve Zoller tarafından önerilen kontrollü-DEĞİL kapısının yanı sıra, o zamandan beri birçok eşdeğer, ancak daha sağlam şemalar önerilmiş ve deneysel olarak uygulanmıştır. JJ tarafından son teorik çalışma. Garcia-Ripoll, Cirac ve Zoller, dolaşık kapıların hızında hiçbir temel sınırlama olmadığını göstermiştir, ancak bu dürtüsel rejimdeki (1 mikrosaniyeden daha hızlı) kapılar henüz deneysel olarak gösterilmemiştir. Bu uygulamaların aslına uygunluğu %99'un üzerinde olmuştur.

Ölçeklenebilir tuzak tasarımları

Kuantum bilgisayarları, zor hesaplama problemlerini çözmek için birçok kübiti bir kerede başlatma, saklama ve değiştirme yeteneğine sahip olmalıdır. Bununla birlikte, daha önce tartışıldığı gibi, hesaplama yeteneklerini korurken her tuzakta sınırlı sayıda kübit saklanabilir. Bu nedenle, bilgileri bir tuzaktan diğerine aktarabilen birbirine bağlı iyon tuzakları tasarlamak gereklidir. İyonlar, aynı etkileşim bölgesinden ayrı depolama bölgelerine ayrılabilir ve iç durumlarında depolanan kuantum bilgilerini kaybetmeden tekrar bir araya getirilebilir. İyonlar ayrıca iki boyutlu bir tuzak dizisi tasarımına izin veren bir "T" bağlantısında köşeleri döndürmek için yapılabilir. Yeni nesil tuzakları üretmek için yarı iletken üretim teknikleri de kullanılmış ve 'bir çip üzerinde iyon tuzağı' gerçeğe dönüşmüştür. Bir örnek, D. Kielpinski, C. Monroe ve DJ Wineland tarafından tasarlanan kuantum şarj bağlantılı cihazdır (QCCD). QCCD'ler, kübitleri depolamak ve işlemek için belirlenmiş alanlara sahip elektrot labirentine benzer.

Elektrotlar tarafından oluşturulan değişken elektrik potansiyeli, iyonları hem belirli bölgelerde tutabilir hem de taşıma kanallarında hareket ettirebilir, bu da tüm iyonları tek bir tuzakta tutma gerekliliğini ortadan kaldırır. QCCD'nin bellek bölgesindeki iyonlar, herhangi bir işlemden izole edilir ve bu nedenle durumlarında bulunan bilgiler daha sonra kullanılmak üzere saklanır. İki iyon durumunu birbirine karıştıranlar da dahil olmak üzere kapılar, bu makalede zaten açıklanan yöntemle etkileşim bölgesindeki kübitlere uygulanır.

Ölçeklenebilir tuzaklarda uyumsuzluk

Bir iyon, birbirine bağlı bir tuzakta bölgeler arasında taşınırken ve düzgün olmayan bir manyetik alana maruz kaldığında, aşağıdaki denklem şeklinde bir uyumsuzluk meydana gelebilir (bkz. Zeeman etkisi ). Bu, kuantum durumunun göreli fazını etkili bir şekilde değiştirir. Yukarı ve aşağı oklar, genel bir süperpozisyon kübit durumuna, bu durumda iyonun temel ve uyarılmış durumlarına karşılık gelir.

${\displaystyle \left|\uparrow \right\rangle +\left|\downarrow \right\rangle \longrightarrow \exp(i\alpha )\left|\uparrow \right\rangle +\left|\downarrow \right\rangle }$

Tuzağın fiziksel hareketlerinden veya istenmeyen elektrik alanlarının varlığından ek göreli fazlar ortaya çıkabilir. Kullanıcı α parametresini belirleyebilirse, göreceli bir fazı düzeltmek için bilinen kuantum bilgi süreçleri mevcut olduğundan, bu uyumsuzluğun hesaba katılması nispeten basit olacaktır. Bununla birlikte, manyetik alanla etkileşimden elde edilen α yola bağımlı olduğundan, problem oldukça karmaşıktır. Göreceli bir fazın uyumsuzluğunun bir iyon tuzağına dahil edilebileceği birden fazla yolu göz önünde bulundurarak, iyon durumunu, uyumsuzluğu en aza indiren yeni bir temelde yeniden tasarlamak sorunu ortadan kaldırmanın bir yolu olabilir.

Eşevresizlikle mücadele etmenin bir yolu, kuantum durumunu, eşevresizlikten bağımsız alt uzaylar veya DFS olarak adlandırılan yeni bir temelde , temel durumlar ve ile temsil etmektir . DFS aslında iki iyon durumunun alt uzayıdır, öyle ki her iki iyon da aynı bağıl fazı alırsa, DFS'deki toplam kuantum durumu etkilenmeyecektir. ${\displaystyle \sol|\uparrow \downarrow \sağ\rangle }$${\displaystyle \sol|\downarrow \uparrow \sağ\rangle }$

Zorluklar

Sıkışmış iyon kuantum bilgisayarları teorik olarak DiVincenzo'nun kuantum hesaplama kriterlerinin tamamını karşılar , ancak sistemin uygulanması oldukça zor olabilir. Kapana kısılmış iyon kuantum hesaplamanın karşılaştığı ana zorluklar, iyonun hareket durumlarının başlatılması ve fonon durumlarının nispeten kısa ömürleridir. Eşevresizliğin ortadan kaldırılmasının da zor olduğu ortaya çıkıyor ve kübitler dış çevre ile istenmeyen şekilde etkileşime girdiğinde ortaya çıkıyor.

CNOT kapısı uygulaması

Kontrol NOT geçidi bir kuantum kapısı CNOT kapıları ve tek qubit rotasyonlar bir kombinasyonu ile yaratılabilir gibi kuantum bilgisayar için önemli bir bileşendir. Bu nedenle, tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayarının aşağıdaki üç gereksinimi karşılayarak bu işlemi gerçekleştirebilmesi önemlidir.

İlk olarak, kapana kısılmış iyon kuantum bilgisayarı, "keyfi tek kübit dönüşü" bölümünde zaten tartışılan kübitler üzerinde keyfi dönüşler gerçekleştirebilmelidir.

Bir CNOT geçidinin bir sonraki bileşeni, kontrollü faz çevirme kapısı veya kontrollü- Z kapısıdır ( kuantum mantık kapısına bakınız ). Kapana kısılmış bir iyon kuantum bilgisayarında, kütle fononunun merkezinin durumu kontrol kübiti olarak işlev görür ve iyonun dahili atomik dönüş durumu, çalışma kübitidir. Bu nedenle, fonon kübiti durumdaysa, çalışan kübitin fazı ters çevrilir . ${\görüntüleme stili |1\menzil }$

Son olarak, hem iyon durumu hem de fonon durumu üzerinde hareket eden bir SWAP kapısı uygulanmalıdır.

CNOT kapıları temsil etmek İki alternatif düzenleri sunulmuştur Michael Nielsen ve Isaac Chuang 'ın Kuantum Hesaplama ve Kuantum Bilgi ve Cirac ve Zoller en İyonlar tuzağa Cold ile Kuantum Hesaplama .

Referanslar

Ek kaynaklar

• Şarap Ülkesi, DJ; Monroe, C.; Itano, WM; Leibfried, D.; Kral, BE; Meekhof, DM (1998). "Tutuklu Atomik İyonların Tutarlı Kuantum-Durum Manipülasyonunda Deneysel Konular". Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü Araştırma Dergisi . 103 (3): 259. arXiv : quant-ph/9710025 . doi : 10.6028/jres.103.019 .
• Leibfried, D; Blatt, R; Monroe, C; Wineland, D (2003). "Tek kapana kısılmış iyonların kuantum dinamiği". Modern Fizik İncelemeleri . 75 (1): 281–324. Bibcode : 2003RvMP...75..281L . doi : 10.1103/revmodphys.75.281 .
• Steane, A. (1997). "İyon tuzağı kuantum bilgi işlemcisi". Uygulama Fizik B . 64 (6): 623-643. arXiv : quant-ph/9608011 . Bibcode : 1996ApPhB..64..623S . doi : 10.1007/s003400050225 .
• Monroe, C.; ve diğerleri (1995). "Temel Kuantum Mantık Kapısının Gösterimi" . Fizik Rev. Lett . 75 (25): 4714-4717. Bibcode : 1995PhRvL..75.4714M . doi : 10.1103/physrevlett.75.4714 . PMID  10059979 .
• arxiv.org üzerinde kapana kısılmış iyon bilgisayar
• Friedenauer, A.; Schmitz, H.; Glueckert, JT; Porras, D.; Schaetz, T. (2008). "Yakalanmış iyonlarla bir kuantum mıknatısı simüle etmek" . Doğa Fiziği . 4 (10): 757-761. Bibcode : 2008NatPh...4..757F . doi : 10.1038/nphys1032 .
• Moehring, DL; Maunz, P.; Olmschenk, S.; Genç, KC; Matsukeviç, DN; Duan, L.-M.; Monroe, C. (2007). "Bir mesafede tek atomlu kuantum bitlerinin dolaşıklığı". Doğa . 449 (7158): 68-71. Bibcode : 2007Natur.449...68M . doi : 10.1038/nature06118 . hdl : 2027.42/62780 . PMID  17805290 .
• Çubuk, D.; Hensinger, WK; Olmschenk, S.; Madsen, MJ; Schwab, K.; Monroe, C. (2006). "Yarı iletken çipte iyon tuzağı". Doğa Fiziği . 2 (1): 36–39. arXiv : quant-ph/0601052 . Bibcode : 2006NatPh...2...36S . doi : 10.1038/nphys171 .
• Leibfried, D.; Knill, E.; Seidelin, S.; Britton, J.; Blakestad, RB; Chiaverini, J.; Hume, DB; Itano, WM; Jost, JD; Langer, C.; Özeri, R.; Reichle, R.; Wineland, DJ (2005). "Altı atomlu bir 'Schrödinger kedisi' durumunun yaratılması". Doğa . 438 (7068): 639-642. Bibcode : 2005Natur.438..639L . doi : 10.1038/nature04251 . PMID  16319885 .
• Häffner, H.; Hansel, W.; Roos, CF; Benhelm, J.; Çek-al-kar, D.; Chwalla, M.; Körber, T.; Rapol, UD; Riebe, M.; Schmidt, PO; Becher, C.; Gühne, Ö.; Dur, W.; Blatt, R. (2005). "Yakalanmış iyonların ölçeklenebilir çok parçacıklı dolaşıklığı". Doğa . 438 (7068): 643-646. arXiv : quant-ph/0603217 . Bibcode : 2005Natur.438..643H . doi : 10.1038/nature04279 . PMID  16319886 .
• Chiaverini, J.; Britton, J.; Leibfried, D.; Knill, E.; Barrett, MD; Blakestad, RB; Itano, WM; Jost, JD; Langer, C.; Özeri, R.; Schaetz, T.; Wineland, DJ (2005). "Ölçeklenebilir bir sistemde yarı klasik kuantum Fourier dönüşümünün uygulanması". Bilim . 308 (5724): 997-1000. Bibcode : 2005Sci...308..997C . doi : 10.1126/science.1110335 .
• Blinov, BB; Moehring, DL; Duan, L.-M.; Monroe, C. (2004). "Tutulmuş tek bir atom ve tek bir foton arasındaki dolaşıklığın gözlenmesi" (PDF) . Doğa . 428 (6979): 153-157. Bibcode : 2004Natur.428..153B . doi : 10.1038/nature02377 . hdl : 2027.42/62924 .
• Chiaverini, J.; Leibried, D.; Schaetz, T.; Barrett, MD; Blakestad, RB; Britton, J.; Itano, WM; Jost, JD; Knill, E.; Langer, C.; Özeri, R.; Wineland, DJ (2004). "Kuantum hata düzeltmesinin gerçekleştirilmesi". Doğa . 432 (7017): 602-605. Bibcode : 2004Natur.432..602C . doi : 10.1038/nature03074 . PMID  15577904 .
• Riebe, M.; Häffner, H.; Roos, CF; Hansel, W.; Benhelm, J.; Lancaster, GPT; Körber, TW; Becher, C.; Schmidt-Kaler, F.; James, DFV; Blatt, R. (2004). "Atomlarla deterministik kuantum ışınlanma". Doğa . 429 (6993): 734-737. Bibcode : 2004Natur.429..734R . doi : 10.1038/nature02570 . PMID  15201903 .
• Barrett, MD; Chiaverini, J.; Schaetz, T.; Britton, J.; Itano, WM; Jost, JD; Knill, E.; Langer, C.; Leibfried, D.; Özeri, R.; Wineland, DJ (2004). "Atomik kübitlerin deterministik kuantum ışınlanması". Doğa . 429 (6993): 737-739. Bibcode : 2004Natur.429..737B . doi : 10.1038/nature02608 . PMID  15201904 .
• Roos, CF; Riebe, M.; Häffner, H.; Hansel, W.; Benhelm, J.; Lancaster, GPT; Becher, C.; Schmidt-Kaler, F.; Blatt, R. (2004). "Üç kübitlik dolaşık durumun kontrolü ve ölçümü". Bilim . 304 (5676): 1478-1480. Bibcode : 2004Sci...304.1478R . doi : 10.1126/science.1097522 .