Scalabilità dei computer quantistici trappola ionica

La mia comprensione è che i campi magnetici necessari per mantenere in posizione gli ioni nei computer quantistici della trappola ionica sono molto complessi e, per questo motivo, attualmente sono possibili solo computer 1-D, riducendo quindi la facilità di comunicazione tra qubit. Sembra che ci sia una proposta per un sistema 2-d che utilizza una trappola Paul in questa prestampa, ma non riesco a trovare se questo è stato effettivamente testato.

La scalabilità dei computer quantistici della trappola ionica dipende solo da questo (se gli ioni possono essere disposti in configurazioni diverse da una linea retta) o sono implicati altri fattori? Se il primo, quali progressi sono stati fatti? Se quest'ultimo, quali sono gli altri fattori?

I computer quantistici della trappola ionica tengono gli ioni nello spazio vuoto usando campi elettrici non magnetici. Questo è impossibile usando i campi statici ( il teorema di Earnshaw ) quindi viene usato un campo alternato. L'effetto è che particelle cariche come gli ioni cercano un minimo di campo; questo tipo di trappola ionica è anche chiamata trappola quadrupola perché il campo più semplice (ordine più basso) con un minimo nello spazio è un campo quadrupolo. È semplice disporre i campi che limitano gli ioni a un punto oa una linea e che i quantumcomputer a trappola ionica usano quest'ultimo. Tuttavia questo non si ridimensiona perché i calcoli implicano modalità motorie degli ioni che diventano più difficili da distinguere quando ci sono più ioni.

Esistono due approcci per rendere scalabile questo approccio: Coppia le stringhe di ioni o usando la luce (fotoni) o spostando gli ioni l'uno dall'altro una tale sezione di trappola ionica lineare. L'uso dei fotoni è particolarmente difficile e lungi dall'essere attualmente praticabile per un computer quantistico che soddisfa una soglia di correzione degli errori, quindi concentriamoci sugli ioni shuttling.

Le trappole quadrupoliche matematicamente vere non possono essere costruite per avere intersezioni, ma ciò non ha impedito ai fisici di costruirle comunque. Il trucco è che, sebbene non si possa disporre di un campo quadrupolo al centro dell'intersezione, si può ancora avere il confinamento. E guidando leggermente gli ioni nel campo confinato (alternando) usando un campo statico, si può ottenere un confinamento sufficientemente forte. È stato anche dimostrato che tale spostamento attraverso un'intersezione è possibile senza riscaldare significativamente lo ione (cambiando il suo stato di movimento).

Con tali intersezioni, le trappole ioniche sono scalabili.

Potresti voler dare un'occhiata a questo Schaetz et al, Rapporti sui progressi della fisica del 2012 " Simulazioni quantistiche sperimentali della fisica di molti corpi con ioni intrappolati " ( collegamento alternativo in semanticscholar ). Riassumendo: sì, la disposizione degli ioni è un limite fondamentale alla scalabilità, ma no, le configurazioni non sono attualmente limitate a una singola linea di atomi . Su quel foglio, controlla la Figura 3 per immagini sperimentali di fluorescenza di ioni raffreddati al laser in un potenziale di confinamento comune di una trappola RF lineare, incluso un singolo ione, una singola linea, una catena a zig-zag e un costrutto tridimensionale.

Dalla figura 3 nel documento sopra di Schaetz et al: " Le transizioni di fase strutturali possono essere indotte tra cristalli monodimensionali, bidimensionali e tridimensionali, ad esempio riducendo il rapporto tra le frequenze di intrappolamento radiale e assiale. " Sono sicuro più recente i documenti di revisione dovrebbero esistere, ma questo è il primo che ho trovato soddisfacente. Certo, i risultati attuali riguardano più la simulazione diretta piuttosto che il calcolo universale, ad es. Dalla figura 13 nello stesso documento: " Modifica dei parametri sperimentali in modo non adiabatico durante una transizione di fase strutturale da una catena lineare di ioni a una struttura a zig-zag, l'ordine all'interno il cristallo si rompe in domini, incorniciato da difetti topologicamente protetti che sono adatti a simulare solitoni " .

Sullo stesso argomento, e anche dal 2012, un altro documento che vale la pena dare un'occhiata sarebbe Ingegnerizzato interazioni bidimensionali Ising in un simulatore quantistico a ioni intrappolati con centinaia di spin (versione arXiv) ( versione Nature . Hai l'immagine sperimentale come Figura 1 in questo caso è una trappola di Penning piuttosto che una trappola di Paul. In realtà, non è un calcolo quantistico universale ma piuttosto l'applicazione specializzata della simulazione quantistica, ma è ancora innegabilmente un progresso sperimentale verso il mantenimento degli ioni in una trappola 2D e quindi avanzando verso la scalabilità.

Io stesso non sono un esperto di trappole, ma questo è ciò che ho ottenuto sulla scalabilità in una recente conferenza (2017):

• Gli sperimentatori giocano con i potenziali e realizzano combinazioni interessanti, con zone centrali quasi cristalline (catene, scale, nastri ecc.) E punte esotiche (ad esempio nastri o scale che finiscono in un singolo atomo).
• $s^1$$^+$$^+$$^{14}$$^2$
• Le vibrazioni collettive sono utilizzate come base della comunicazione interqubit. Come nel punto precedente, la modalità di respirazione è straordinariamente stabile e quindi comoda da usare, ma anche altre vibrazioni sono accessibili e consentirebbero schemi di comunicazione interqubit più interessanti.

Anche se non sono uno sperimentatore e non ho studiato questi sistemi in modo approfondito, la mia comprensione (grezza) è la seguente:

Nelle trappole ioniche (più o meno) devi intrappolare gli ioni in linea. Tuttavia, questo non è un limite in termini di facilità di comunicazione perché ciò a cui probabilmente stai pensando è quando un sistema lineare ha interazioni di vicini più vicine, cioè ogni qubit può interagire solo con i suoi vicini immediati. Nelle trappole ioniche, questo non è proprio vero perché è possibile accedere a una modalità di vibrazione comune di tutti gli ioni per far interagire direttamente le coppie arbitrarie. Quindi in realtà, è davvero buono.

Il problema è quel numero di qubit che è possibile memorizzare. Più atomi metti nella trappola, più vicini sono i loro livelli di energia e più diventa difficile indirizzarli individualmente per controllarli e implementare cancelli. Questo tende a limitare il numero di qubit che hai in una singola area di trapping. Per ovviare a questo (e con l'ulteriore vantaggio del parallelismo, necessario per la correzione degli errori), le persone vogliono far interagire più regioni di intrappolamento distinte, sia con qubit volanti, sia spostando gli atomi tra diverse regioni di intrappolamento. Questo secondo approccio sembra essere molto in corso. Questa è la proposta teorica, ma ho sicuramente visto articoli che hanno dimostrato i componenti di base .