Che tipo di ioni usano i computer quantistici a ioni intrappolati?

I computer quantistici a ioni intrappolati sono tra gli approcci più promettenti per ottenere calcoli quantistici su larga scala. L'idea generale è quella di codificare i qubit negli stati elettronici di ogni ione e quindi controllare gli ioni tramite forze elettromagnetiche.

In questo contesto, vedo spesso che viene utilizzata la realizzazione sperimentale di sistemi di ioni intrappolati ${}^{40}\!\operatorname{Ca}^+$Ioni Ca + (vedi ad es.1803.10238). È sempre così? In caso contrario, quali altri tipi di ioni sono o possono essere utilizzati per costruire questo tipo di sistemi di ioni intrappolati? Quali sono le principali caratteristiche che gli ioni devono avere per essere convenientemente utilizzati per costruire dispositivi a ioni intrappolati?

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Ci sono quasi troppe specie di ioni da elencare che sono state utilizzate nel calcolo quantistico basato sulla trappola ionica o in esperimenti correlati. La solita scelta è quella di essere, quando singolarmente ionizzata, simile all'idrogeno che ha conseguenze convenienti per la loro spettroscopia laser: quindi una forte, tipicamente$20$La transizione larga MHz si trova nell'estremità UV o blu dello spettro accessibile al laser (piuttosto che nel vuoto-UV come farebbe per gli ioni che hanno bisogno di una ionizzazione superiore alla singola ionizzazione). Inoltre, lo spettro rimane relativamente semplice (se è simile all'idrogeno), il che significa che ci sono un numero limitato di altri stati che potrebbero aver bisogno del proprio laser come laser a ripetitore. Può essere vantaggioso avere uno stato ottico meta-stabile che necessita di un laser a ripetitore perché può essere utilizzato nelle misurazioni e nelle preparazioni di stato (o, atipicamente, per rappresentare uno stato di qubit).

Infine, in genere (ma non sempre) si desidera uno ione con una struttura iperfine perché ciò consente di utilizzare gli stati hyperfine con solo una spaziatura energetica di come stati qubit. Questi stati sono vantaggiosi perché hanno tempi di decadimento lunghi un secolo, il che significa che non hai praticamente nessuna decoerenza semplicemente dal loro decadimento spontaneo (ma hai una decoerenza dai campi magnetici, a cui gli stati ben scelti non hanno, tuttavia, alcun lineare e solo un quadratico dipendenza).$\mathrm{GHz}$

È anche conveniente avere uno ione a bassa massa perché ciò consente di costruire una trappola ionica con frequenze di movimento più elevate (lo ione è più fortemente limitato se il suo rapporto carica-massa è elevato). Le alte frequenze di movimento implicano meno riscaldamento (anomalo) all'interno della trappola ionica e la possibilità di velocità di gate più elevate a qubit.$2$

Una delle specie ioniche più popolari è perché hai tutti i laser richiesti in una regione spettrale (IR e visibile) dove puoi costruirli con relativa semplicità e c'è una comoda meta-stabile stato di circa larghezza (e uno con circa larghezza irrilevante), e ha una struttura iperfine particolarmente semplice a causa della sua rotazione nucleare di . è quasi altrettanto buono: se riesci a vivere senza avere una struttura iperfine, ha requisiti laser altrettanto semplici e una massa relativamente bassa mentre sintonizzi i tuoi laser per$\ce{^{171}Yb^+}$$1\ \mathrm{Hz}$$1\ \mathrm{nHz}$$1/2$$\ce{Ca^+}$$\ce{^{40}Ca^+}$$\ce{^{43}Ca^+}$si ottiene una struttura iperfine a spese del fatto che è abbastanza complicata a causa della rotazione nucleare di . Alcuni gruppi perseguono che è bello per essere così leggero e per aver solo bisogno di laser essenzialmente alla stessa lunghezza d'onda, anche se difficile ( ). Molti altri ioni sono stati usati sperimentalmente, tra cui , e una buona rappresentazione delle proprietà importanti può essere trovata nella "Tavola periodica ionica" di Chris Monroe .$7/2$$\ce{^9Be^+}$$313\ \mathrm{nm}$$\ce{Sr^+}$$\require{\mhchem}\ce{Hg^+}$