Skalabilitas komputer kuantum jebakan ion

Pemahaman saya adalah bahwa medan magnet yang diperlukan untuk menahan ion pada komputer kuantum jebakan ion sangat kompleks, dan untuk alasan itu, saat ini, hanya komputer 1-D yang memungkinkan, sehingga mengurangi kemudahan komunikasi antara qubit. Tampaknya memang ada proposisi untuk sistem 2-d menggunakan perangkap Paul dalam pracetak ini tetapi saya tidak bisa menemukan apakah ini benar-benar telah diuji.

Apakah skalabilitas komputer kuantum jebakan ion bergantung pada hal ini saja (apakah ion dapat diatur dalam konfigurasi selain garis lurus) atau apakah ada faktor lain yang disyaratkan? Jika yang pertama, kemajuan apa yang telah dibuat? Jika yang terakhir, apa faktor lainnya?

Komputer kuantum jebakan ion menahan ion di ruang kosong menggunakan medan listrik, bukan magnet. Itu tidak mungkin menggunakan bidang statis ( teorema Earnshaw ) sehingga bidang bolak-balik digunakan. Efeknya adalah partikel bermuatan seperti ion mencari bidang minimum; jenis perangkap ion ini juga disebut perangkap quadrupole karena bidang paling sederhana (urutan terendah) yang memiliki minimum ruang adalah medan quadrupole. Sangat mudah untuk mengatur bidang yang membatasi ion ke suatu titik atau garis dan perangkap ion kuantum menggunakan yang terakhir. Namun ini tidak berskala karena perhitungan melibatkan mode gerak ion yang menjadi lebih sulit untuk dibedakan ketika ada lebih banyak ion.

Ada dua pendekatan untuk membuat pendekatan ini scalable: Pasangan string ion baik menggunakan cahaya (foton) atau dengan memutar ion dari satu ke yang lain seperti bagian perangkap ion linier. Menggunakan foton sangat sulit dan jauh dari yang saat ini bisa diterapkan untuk komputer kuantum yang memenuhi ambang koreksi kesalahan, jadi mari kita fokus pada bolak-balik ion.

Perangkap quadrupole yang benar secara matematis tidak dapat dibangun untuk memiliki persimpangan tetapi itu tidak menghentikan fisikawan untuk membuatnya. Kuncinya adalah bahwa, meskipun seseorang tidak dapat mengatur untuk memiliki bidang quadrupole di tengah persimpangan, ia masih dapat memiliki kurungan. Dan dengan sedikit mengarahkan ion ke bidang pengekang (bolak-balik) menggunakan medan statis, orang dapat memperoleh pengekangan yang cukup kuat. Bahkan telah diperlihatkan bahwa bolak-balik seperti itu melintasi suatu persimpangan dimungkinkan tanpa memanaskan ion secara signifikan (mengubah keadaan geraknya).

Dengan persimpangan seperti itu, jebakan ion dapat diukur.

Anda mungkin ingin memeriksa Schaetz et al ini, Laporan Kemajuan Fisika 2012 " simulasi kuantum eksperimental fisika banyak-tubuh dengan ion yang terperangkap " ( tautan alternatif dalam semanticscholar ). Singkatnya: ya, susunan ion adalah satu batasan utama untuk skalabilitas, tetapi tidak, konfigurasi saat ini tidak terbatas pada satu baris atom saja . Di atas kertas itu, periksa Gambar 3 untuk gambar fluoresensi eksperimental dari ion berpendingin laser dalam potensi pembatas umum dari perangkap RF linear, termasuk ion tunggal, garis tunggal, rantai zig-zag dan konstruksi tiga dimensi.

Dari Gambar 3 dalam makalah di atas oleh Schaetz et al: " Transisi fase struktural dapat diinduksi antara kristal satu, dua dan tiga dimensi, misalnya dengan mengurangi rasio frekuensi perangkap radial dan aksial. " Saya yakin lebih baru makalah ulasan harus ada, tetapi ini adalah yang pertama saya temukan yang memuaskan. Diakui, hasil saat ini lebih tentang simulasi langsung daripada perhitungan universal, misalnya dari gambar 13 dalam makalah yang sama: " Mengubah parameter eksperimental non-adiabatik selama transisi fase struktural dari rantai ion linear ke struktur zigzag, urutan dalam kristal pecah dalam domain, dibingkai oleh cacat yang dilindungi secara topologi yang cocok untuk mensimulasikan soliton. "

Pada topik yang sama, dan juga mulai tahun 2012, makalah lain yang patut diperiksa adalah Rekayasa interaksi dua dimensi Ising dalam simulator kuantum ion terperangkap dengan ratusan putaran (versi arXiv) ( versi Nature . Anda memiliki gambar eksperimental seperti Gambar 1 ; ini adalah perangkap Penning dalam kasus ini daripada perangkap Paul. Memang, ini bukan komputasi kuantum universal melainkan aplikasi khusus simulasi kuantum, tetapi masih merupakan kemajuan eksperimental yang tak dapat disangkal untuk memegang ion di tempatnya dalam perangkap 2-D dan dengan demikian maju menuju skalabilitas.

Saya sendiri bukan ahli jebakan, tapi inilah yang saya dapatkan tentang skalabilitas dalam konferensi (2017) baru-baru ini:

• Eksperimentalis bermain-main dengan potensi dan mencapai kombinasi yang menarik, dengan zona pusat yang kuasi-kristal (rantai, tangga, pita dll) dan tip eksotis (misalnya pita atau tangga yang selesai dalam satu atom).
• $s^1$$^+$$^+$$^{14}$$^2$
• Getaran kolektif digunakan sebagai dasar komunikasi interqubit. Seperti pada poin sebelumnya, mode pernafasan stabil dan unik sehingga nyaman digunakan, tetapi getaran lain juga dapat diakses dan akan memungkinkan skema komunikasi interqubit yang lebih menarik.

Meskipun saya bukan seorang pencoba, dan belum mempelajari sistem ini secara mendalam, pemahaman (kasar) saya adalah sebagai berikut:

Dalam perangkap ion, Anda (lebih atau kurang) harus menjebak ion dalam barisan. Namun, ini bukan batasan dalam hal kemudahan komunikasi karena apa yang mungkin Anda pikirkan adalah ketika sistem linear memiliki interaksi tetangga terdekat, yaitu setiap qubit hanya dapat berinteraksi dengan tetangga terdekatnya. Dalam perangkap ion, ini tidak benar karena Anda dapat mengakses mode getar umum dari semua ion untuk membuat pasangan sewenang-wenang berinteraksi secara langsung. Jadi sebenarnya, itu sangat bagus.

Masalahnya adalah jumlah qubit yang bisa Anda simpan. Semakin banyak atom yang Anda masukkan ke dalam jebakan, semakin dekat tingkat energinya, dan semakin sulit untuk mengatasinya secara individu untuk mengendalikannya dan mengimplementasikan gerbang. Ini cenderung membatasi jumlah qubit yang Anda miliki dalam satu area perangkap. Untuk menyiasatinya (dan dengan bonus paralelisme tambahan, yang diperlukan untuk koreksi kesalahan), orang ingin membuat beberapa wilayah perangkap yang berbeda berinteraksi, baik dengan qubit terbang, atau dengan memutar atom antara berbagai daerah perangkap. Pendekatan kedua ini tampaknya sangat banyak dalam proses. Ini adalah proposal teori, tetapi saya tentu saja melihat makalah yang telah menunjukkan komponen dasar .