Масштабованість квантових комп'ютерів іонних пасток

Я розумію, що магнітні поля, необхідні для утримування іонів на місці в квантових комп'ютерах іонів, дуже складні, і з цієї причини в даний час можливі лише 1-D комп'ютери, тому знижується простота зв'язку між кубітами. Здається, існує пропозиція для 2-д системи, яка використовує пастку Пола в цьому препринті, але я не можу знайти, чи справді це було протестовано.

Чи залежить масштабування квантових комп’ютерів іонів-пасток лише від цього (чи можуть бути іони впорядковані в конфігураціях, відмінних від прямої лінії) чи пов'язані інші фактори? Якщо перший, який прогрес досягнуто? Якщо останні, то які інші фактори?

Квантові комп'ютери з іонною пасткою утримують іони в порожньому просторі, використовуючи електричні, не магнітні поля. Це неможливо, використовуючи статичні поля ( теорема Ерншоу ), тому використовується змінне поле. Ефект полягає в тому, що заряджені частинки, такі як іони, шукають мінімум поля; цей тип пасток іонів також називається квадрупольною пасткою, тому що найпростішим (найнижчим) полем, що має мінімум у просторі, є поле квадруполя. Впорядкувати поля, які обмежують іони або до точки, або до лінії, і квантові комп'ютери з іонами просто використовують останнє. Але це не масштабується, оскільки для обчислень задіяні рухові режими іонів, які важче розрізнити, коли є більше іонів.

Існує два підходи, щоб зробити цей підхід масштабованим: Пару струнних іонів або за допомогою світла (фотонів), або шляхом перекидання іонів від одного до іншого такого лінійного ділянки лову іонів. Використовувати фотони особливо важко і далеко не є в даний час працездатним для квантового комп'ютера, який відповідає порогу виправлення помилок, тож давайте зосередимось на іонах маршрутизації.

Математично правдиві квадропольні пастки не можуть бути побудовані таким чином, щоб вони мали перехрестя, але це не заважало фізикам робити їх все одно. Хитрість полягає в тому, що, хоча не можна домовитись, щоб у центрі перехрестя було поле квадруполя, все одно може бути обмеження. І, злегка вводячи іони в обмежувальне (чергується) поле, використовуючи статичне поле, можна отримати досить сильне обмеження. Навіть було показано, що така маршрутка через перехрестя можлива без істотного нагрівання іона (зміни його рухового стану).

При таких перехрестях іонні пастки є масштабованими.

Ви можете перевірити цю Schaetz et al, "Доповіді про прогрес у фізиці 2012 року" " Експериментальні квантові симуляції фізики багатьох тіл із захопленими іонами " ( альтернативна посилання в семантичнійхолярі ). Підсумовуючи: так, розташування іонів є одним із ключових обмежень масштабованості, але ні, конфігурації в даний час не обмежені однією лінією атомів . На цьому папері перевірте малюнок 3 на експериментальні флуоресцентні зображення іонів, що охолоджуються лазером, у загальному обмежувальному потенціалі лінійної ВЧ-пастки, включаючи одиничний іон, одну лінію, ланцюг зигзагу та тривимірну конструкцію.

З малюнка 3 у статті, що викладені Schaetz et al: " Структурно-фазові переходи можуть бути індуковані між одно-, дво- та тривимірними кристалами, наприклад, зменшуючи відношення радіальної до осьової частот лову. " оглядові документи повинні існувати, але це перша, яку я визнав задовільною. Справді, поточні результати стосуються скоріше прямого моделювання, а не універсальних обчислень, наприклад, з рисунка 13 цієї ж статті: " Зміна експериментальних параметрів неадіабатично під час структурного фазового переходу від лінійної ланцюга іонів до зигзагоподібної структури, порядку в межах кристал розпадається на домени, обрамлені топологічно захищеними дефектами, які підходять для імітації солітонів ".

З тієї ж теми, а також з 2012 року, ще одним документом, який варто перевірити, буде розроблена двовимірна взаємодія Ізінга в квантовому симуляторі захопленого іона із сотнями спінів (версія arXiv) ( версія Nature . У вас є експериментальна картина, як малюнок 1 ; це в цьому випадку пастка Пеннінга, а не пастка Пола. Дійсно, це не універсальні квантові обчислення, а скоріше спеціалізоване застосування квантового моделювання, але все-таки це безперечно експериментальний прогрес у напрямку утримання іонів на місці в 2-D пастці. і тим самим просуваючись до масштабованості.

Я сам не знавець пасток, але ось що я отримав про масштабність на нещодавній (2017) конференції:

• Експерименталісти розігруються з потенціалами та досягають цікавих комбінацій із центральними зонами, які є квазікристалічними (ланцюги, сходи, стрічки тощо) та екзотичними наконечниками (наприклад, стрічками чи драбинами, які закінчуються одним атомом).
• Більшість популярних іонів мають конфігурацію типу [благородний газ] (як Са ), переважно без ядерного віджиму, але це для зручності та простоти. Доступ до гіпертонких станів та / або більш складної структури рівня спіну (наприклад, Yb = [Xe] f s ) відкриває двері до багатшого гільбертового простору на іон.+ + 14$s^1$$^+$$^+$$^{14}$$^2$
• Колективні коливання використовуються як основа міжхвильової комунікації. Як і в попередньому пункті, режим дихання є унікально стабільним і, таким чином, зручним у використанні, але інші вібрації також доступні і дозволять отримати більш цікаві схеми міжміського зв'язку.

Хоча я не експерименталіст і не вивчав ці системи на якійсь великій глибині, моє (грубе) розуміння полягає в наступному:

У іонних пастках вам (більш-менш) доведеться захоплювати іони в рядках. Однак це не обмеження з точки зору простоти спілкування, оскільки, напевно, ви думаєте, коли лінійна система має взаємодії найближчих сусідів, тобто кожен кубіт може взаємодіяти лише зі своїми безпосередніми сусідами. У іонних пастках це насправді не так, тому що ви можете отримати доступ до загального режиму вібрації всіх іонів, щоб домогтися довільних пар безпосередньо. Тож насправді це справді добре.

Проблема полягає в тому, що кількість кубітів, які ви можете зберігати. Чим більше атомів ви помістите в пастку, тим ближче один до одного їхні енергетичні рівні, і тим важче їм стає індивідуально вирішувати, щоб контролювати їх та впроваджувати ворота. Це, як правило, обмежує кількість кубітів у вас в одній зоні захоплення. Щоб обійти це (і завдяки додатковому бонусу паралелізму, необхідного для виправлення помилок), люди хочуть зробити кілька чітких різних захоплюючих областей, як з літаючими кубітами, так і шляхом перекидання атомів між різними захоплюючими регіонами. Цей другий підхід, здається, дуже прогресує. Це теоретична пропозиція, але я, безумовно, бачив документи, які продемонстрували основні компоненти .