Nos últimos anos, equipes de pesquisa em todo o mundo têm tentado criar computadores quânticos de íons aprisionados, que até agora provaram estar entre os sistemas mais promissores para implementações práticas de computação quântica. Nestes computadores, os íons aprisionados servem como bits quânticos que são emaranhados para realizar cálculos avançados.

Em uma busca para desenvolver computadores quânticos de íons presos escalonáveis, pesquisadores da Universidade de Oxford implementaram recentemente um portão emaranhado de dois qubit entre dois elementos atômicos distintos, cálcio e estrôncio. Em seu estudo, apresentado em Cartas de revisão física , eles usaram um mecanismo de portão que requer apenas um único laser, que eles haviam testado anteriormente em dois isótopos de cálcio diferentes.

Um dos maiores desafios no desenvolvimento de computadores quânticos de íons aprisionados é a escalabilidade (ou seja, encontrar maneiras de aplicar abordagens que alcançaram resultados promissores em alguns qubits a milhares ou até milhões de qubits). Na verdade, simplesmente adicionar novos qubits a um sistema de computação quântica muitas vezes resulta em uma rápida diminuição no desempenho, pois introduz novos erros e torna mais difícil interagir com um único qubit sem afetar alguns dos outros.

Para superar este desafio, a equipe de pesquisa da Universidade de Oxford usou dois métodos conhecidos como modularização e rede óptica. Essencialmente, seu objetivo era ter íons em armadilhas de íons e sistemas de vácuo separados, que são conectados apenas por meio de fibras ópticas.

Esta abordagem limita a interferência entre qubits, retendo apenas as interações que são desejáveis ​​e podem ser controladas pelos pesquisadores. Isso significa que, uma vez identificado um sistema que funciona bem, mais do mesmo pode ser adicionado, já que os novos não afetarão o desempenho geral.

"Para esta abordagem, mas também outras estratégias para melhorar a escalabilidade, usar diferentes espécies de íons é muito útil, "Vera M. Schäfer, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org. "Em primeiro lugar, porque íons diferentes têm pontos fortes e fracos diferentes. Por exemplo, usamos uma espécie de íon que é um íon lógico e de memória muito bom, o que significa que pode armazenar informações por um longo tempo (50s em comparação com dezenas de milissegundos para qubits de íons aprisionados 'normais'), e obtemos erros muito pequenos ao realizar cálculos com esta espécie de íon; a outra espécie é muito melhor (e mais rápida) no acoplamento aos fótons. Em segundo lugar, porque um problema com os íons aprisionados é que eles aquecem lentamente com o tempo. Se tivermos duas espécies diferentes, podemos usar a segunda espécie para resfriar os íons durante um cálculo, o que diminui o problema de aquecimento. "

Para usar espécies diferentes para a realização de aplicativos de computação quântica de íons aprisionados, os pesquisadores devem ser capazes de transferir informações entre essas espécies. Isso pode ser feito produzindo o que é conhecido como uma porta de dois qubit.

Em um de seus estudos anteriores, Schäfer, Amy Hughes e seus colegas realizaram com sucesso uma porta de dois qubit entre diferentes isótopos de cálcio. Implementar tal portão entre elementos atômicos totalmente diferentes, Contudo, seria muito mais útil. Isso ocorre porque diferentes elementos têm características muito diferentes e exibem frequências de transição distintas.

Como resultado, ao realizar uma operação em uma espécie usando tecnologia a laser, as outras espécies permaneceriam totalmente inalteradas. Simultaneamente, Contudo, como os dois elementos também podem ter massas diferentes, controlar seu movimento pode ser muito mais complicado.

"Em nosso trabalho anterior, realizamos o gate em dois isótopos diferentes de cálcio com um único laser, o que foi uma decisão bastante natural porque a maioria das frequências de transição ainda estão bastante próximas em diferentes isótopos, "Schäfer disse." No entanto, notamos que para o estrôncio, o elemento que é mais adequado para usar junto com o cálcio, as frequências de transição não estão tão distantes, e [pensamos] que talvez pudéssemos usar o mesmo esquema que funcionava para diferentes isótopos para diferentes elementos. "

A semelhança entre as frequências de transição de cálcio e estrôncio simplificou muito o problema em questão, em última análise, permitindo que os pesquisadores obtenham fidelidades mais altas do que aquelas obtidas ao produzir outros portões de elementos mistos. A implementação bem-sucedida de um portão de espécies mistas pode ser um passo significativo na realização da computação quântica em grande escala, ao mesmo tempo que permite aos pesquisadores alavancar simultaneamente as propriedades de dois elementos diferentes.

"A ideia básica por trás das portas de emaranhamento de íons presos é criar uma correlação entre os estados de qubit dos íons por meio de seu movimento, que está fortemente acoplado à medida que se repelem devido à sua carga, "Schäfer disse." A luz do laser pode se acoplar ao movimento dos íons e, por exemplo, empurre-os em uma determinada direção. Podemos aplicar luz laser que se acopla de maneira diferente a íons em estados qubit opostos, por exemplo., vai empurrar um íon no estado | 1> , mas puxar um íon no estado | 0> . Assim, para algumas combinações de estado de qubit, o movimento comum será cancelado e para outras aprimorado, e podemos usar isso para criar emaranhamento. "

Muitos pesquisadores que já implementaram portas de emaranhamento de dois qubit de espécies mistas usaram diferentes lasers para manipular diferentes elementos. Para fazer isso, Contudo, os pesquisadores devem garantir que os dois lasers estejam bem sincronizados e calibrados para que tenham um efeito semelhante nas duas espécies de íons diferentes.

Schäfer, Hughes e seus colegas, por outro lado, usou apenas um único laser. Isso significa que, embora eles não precisassem sincronizá-lo de nenhuma maneira particular, eles também tinham menos graus de liberdade disponíveis para calibração e precisavam identificar uma posição que permitisse acoplar as duas espécies de maneira semelhante. Como os cristais de espécies mistas são mais sensíveis a efeitos externos específicos (por exemplo, campos elétricos perdidos), os pesquisadores tiveram que ser mais cuidadosos durante a calibração do que na implementação de uma porta de espécie única.

"O portão foi implementado usando um par de feixes de laser (em cerca de 402 nm), que pode acoplar e excitar o movimento do cálcio e do estrôncio simultaneamente, "Schäfer explicou." Usamos três métodos diferentes para caracterizar o desempenho da porta:medir o estado de saída após uma única porta e compará-lo com a saída ideal; executar uma sequência de portas semelhante a um algoritmo com e sem intercalar nossa porta e comparar a magnitude dos erros entre as duas; e executar sequências que aprimoram diferentes tipos de erros para caracterizar a natureza de nossas fontes de erro. "

Para avaliar o desempenho de seu portão, os pesquisadores usaram três métodos conhecidos como tomografia de estado parcial, benchmarking randomizado e tomografia do conjunto de portas. A tomografia de estado parcial consiste em implementar uma única porta e, em seguida, medir seu estado de saída.

"Este é o método mais simples e mais comumente usado, "Disse Schäfer." Porque, em média, só obtemos um erro em dois de cada um, 000 portas, temos que fazer isso muitas vezes para obter uma estimativa precisa do erro de porta, e é mais difícil distinguir entre quantos erros foram causados ​​pelo próprio portão e quantos pela leitura do estado final, em comparação com o segundo método que usamos. "

Comparativo aleatório, a segunda estratégia de avaliação usada por Schäfer, Hughes e seus colegas, envolve a implementação de várias portas consecutivas ao inserir diferentes tipos de portas entre elas para alterar continuamente o estado de entrada, após o qual cada porta é aplicada. Subseqüentemente, os pesquisadores compararam o erro apenas entre essa sequência aleatória e uma sequência em que sua porta foi introduzida de forma intermitente entre as portas aleatórias.

"O benchmarking randomizado é mais adequado para medir erros muito pequenos, porque realizamos muitas operações de portão antes de lermos o estado final, e o resultado é mais comparável ao desempenho esperado em um algoritmo real, "Schäfer disse.

Finalmente, tomografia de conjunto de portão, o último método usado pelos pesquisadores para avaliar sua porta, tenta quantificar e caracterizar os erros produzidos quando uma porta é implementada. Para fazer isso, ele produz sequências que são projetadas para aumentar o efeito de tipos específicos de erros, a fim de quantificar a quantidade total de erros de cada tipo. As informações obtidas com o uso dessa técnica são úteis para teóricos que estão tentando desenvolver esquemas de correção de erros mais eficientes.

"Acho que o trabalho de espécies mistas às vezes tem a reputação de ser bastante complexo e difícil e difícil de fazer bem, "Schäfer disse." Nosso trabalho mostrou que, ao escolher o esquema certo, podemos realmente realizar portões de espécies mistas quase tão bem quanto portões de uma única espécie. Existem também algumas coisas com as quais podemos nos preocupar inicialmente, que acabou sendo completamente irrelevante neste esquema. "

O estudo recente realizado por Schäfer, Hughes e seus colegas podem contribuir para a criação de novas abordagens de computação quântica de íons aprisionados que são mais fáceis de aumentar. No futuro, também pode servir de inspiração para outros grupos de pesquisa que estão tentando implementar portões emaranhados de espécies mistas, fornecendo algumas orientações sobre a melhor forma de o conseguir.

"Agora estamos testando um mecanismo diferente de portão de entrelaçamento de espécies mistas, e quer comparar suas vantagens, desvantagens e requisitos para poder escolher o melhor esquema para determinadas circunstâncias, "Schäfer disse." Nós também queremos implementar este portão de espécies mistas em nosso experimento de entrelaçamento de íons-fótons, para demonstrar seu uso para construir um computador quântico de íon aprisionado escalonável e usá-lo para realizar a destilação de emaranhamento. "

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