研究人員首次設(shè)計(jì)了在低溫下運(yùn)行的完全連接的32量子位捕獲離子量子計(jì)算機(jī)寄存器。新系統(tǒng)代表了開發(fā)實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的重要一步。

杜克大學(xué)的Junki Kim將在首屆OSA Quantum 2.0會(huì)議上介紹新的硬件設(shè)計(jì)，該會(huì)議將與9月14日至17日在OSA光學(xué)和激光科學(xué)前沿APS / DLS(FiO + LS)會(huì)議上共同舉辦的全虛擬活動(dòng)。

量子計(jì)算機(jī)不是使用只能為零或一的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)位，而是使用可以處于計(jì)算狀態(tài)疊加的量子位。這使量子計(jì)算機(jī)能夠解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)過(guò)于復(fù)雜的問(wèn)題。

俘獲離子量子計(jì)算機(jī)是用于量子計(jì)算的最有前途的量子技術(shù)之一，但是創(chuàng)建具有足夠量子比特以用于實(shí)際使用的計(jì)算機(jī)一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

“與馬里??蘭大學(xué)合作，我們?cè)O(shè)計(jì)和建造了幾代完全可編程的離子阱量子計(jì)算機(jī)，”金說(shuō)。“該系統(tǒng)是最新的努力，可以直接解決許多導(dǎo)致長(zhǎng)期可靠性的挑戰(zhàn)。”

擴(kuò)大量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模

俘獲離子量子計(jì)算機(jī)將離子冷卻到極低的溫度，這使它們能夠以超高真空懸浮在電磁場(chǎng)中，然后用精密的激光操縱??以形成量子位。

迄今為止，由于與破壞離子鏈的背景分子的碰撞，離子所看到的驅(qū)動(dòng)邏輯門的激光束的不穩(wěn)定性以及來(lái)自捕獲電極的電場(chǎng)噪聲，阻礙了在大型離子阱系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)較高的計(jì)算性能。攪動(dòng)常用于產(chǎn)生糾纏的離子運(yùn)動(dòng)。

在新工作中，Kim及其同事通過(guò)采用了戲劇性的新方法來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。離子被捕獲在閉環(huán)低溫恒溫器內(nèi)部的局部超高真空外殼中，該低溫恒溫器冷卻至4K溫度，且振動(dòng)最小。這種布置消除了由于與環(huán)境中的殘留分子碰撞而引起的量子位鏈的干擾，并強(qiáng)烈抑制了來(lái)自捕集阱表面的異常加熱。

為了獲得干凈的激光束輪廓并最大程度地減少誤差，研究人員使用了光子晶體光纖來(lái)連接拉曼光學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)部分，這些光學(xué)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)量子位門(量子位的構(gòu)建模塊)。此外，操作量子計(jì)算機(jī)所需的精密激光系統(tǒng)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可從光學(xué)平臺(tái)上取下并安裝在儀器機(jī)架中。然后，激光束以單模光纖傳輸?shù)较到y(tǒng)。他們采用了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的新方法，這些方法從根本上消除了機(jī)械和熱的不穩(wěn)定性，從而為捕獲的離子量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)建了交鑰匙式激光裝置。

研究人員證明，該系統(tǒng)能夠按需自動(dòng)加載離子量子比特鏈，并且可以使用微波場(chǎng)執(zhí)行簡(jiǎn)單的量子比特操作。該團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)糾纏門方面取得了可觀的進(jìn)展，其方式可以擴(kuò)展到完整的32量子位。

在未來(lái)的工作中，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃與計(jì)算機(jī)科學(xué)家和量子算法研究人員合作，將特定于硬件的軟件與捕獲離子量子計(jì)算硬件集成在一起。由完全連接的俘獲離子量子位和特定于硬件的軟件組成的完全集成的系統(tǒng)將為實(shí)用的俘獲離子量子計(jì)算機(jī)奠定基礎(chǔ)。