Pela primeira vez, pesquisadores projetaram um registro de computador quântico de íon aprisionado de 32 qubit totalmente conectado operando em temperaturas criogênicas. O novo sistema representa um passo importante para o desenvolvimento de computadores quânticos práticos.

Junki Kim, da Duke University, apresentará o novo design de hardware na conferência OSA Quantum 2.0 inaugural a ser co-localizada como um evento totalmente virtual com a conferência OSA Frontiers in Optics and Laser Science APS / DLS (FiO + LS) de 14 a 17 de setembro .

Em vez de usar bits de computador tradicionais que só podem ser zero ou um, os computadores quânticos usam qubits que podem estar em uma superposição de estados computacionais. Isso permite que os computadores quânticos resolvam problemas que são muito complexos para os computadores tradicionais.

Computadores quânticos de íons presos estão entre o tipo mais promissor de tecnologia quântica para computação quântica, mas tem sido um desafio criar esses computadores com qubits suficientes para uso prático.

"Em colaboração com a Universidade de Maryland, nós projetamos e construímos várias gerações de computadores quânticos com armadilhas de íons totalmente programáveis, "disse Kim." Este sistema é o mais recente no esforço em que muitos dos desafios que levam à confiabilidade de longo prazo são enfrentados de frente. "

Aumentando a escala de computadores quânticos

Computadores quânticos de íons presos resfriam os íons a temperaturas extremamente baixas, o que permite que eles sejam suspensos em um campo eletromagnético em um vácuo ultra-alto e, em seguida, manipulados com lasers precisos para formar qubits.

Até agora, alcançar alto desempenho computacional em sistemas de armadilha de íons em grande escala foi prejudicado pelas colisões com moléculas de fundo que interrompem a cadeia de íons, instabilidade dos feixes de laser conduzindo as portas lógicas vistas pelo íon, e o ruído do campo elétrico dos eletrodos de aprisionamento que agitam o movimento do íon, frequentemente usado para criar emaranhamento.

No novo trabalho, Kim e seus colegas abordaram esses desafios incorporando abordagens dramaticamente novas. Os íons são aprisionados em uma caixa localizada de ultra-alto vácuo dentro de um criostato de ciclo fechado resfriado a temperaturas de 4K, com vibrações mínimas. Este arranjo elimina a perturbação da cadeia qubit decorrente de colisões com moléculas residuais do ambiente, e suprime fortemente o aquecimento anômalo da superfície da armadilha.

Para obter perfis de feixe de laser limpos e minimizar erros, os pesquisadores usaram uma fibra de cristal fotônico para conectar várias partes do sistema óptico Raman que aciona portas qubit - os blocos de construção dos circuitos quânticos. Além disso, os delicados sistemas de laser necessários para operar os computadores quânticos são projetados para serem retirados da mesa óptica e instalados em racks de instrumentos. Os feixes de laser são então entregues ao sistema em fibras ópticas monomodo. Eles adotaram novas maneiras de projetar e implementar sistemas ópticos que fundamentalmente eliminam as instabilidades mecânicas e térmicas para criar uma configuração de laser pronta para uso para computadores quânticos de íons aprisionados.

Os pesquisadores demonstraram que o sistema é capaz de carregar sob demanda automatizado de cadeias de íon qubit, e pode realizar manipulações de qubit simples usando campos de micro-ondas. A equipe está fazendo um progresso sólido na implementação de portões emaranhados, de uma maneira que pode escalar até 32 qubits completos.

Em trabalho futuro, e em colaboração com cientistas da computação e pesquisadores de algoritmos quânticos, a equipe planeja integrar software específico de hardware com o hardware de computação quântica de íons presos. O sistema totalmente integrado, composto de qubits de íons presos totalmente conectados e software específico de hardware, irá estabelecer uma base para computadores quânticos de íons aprisionados práticos.