Масштабируемость квантовых компьютеров с ионной ловушкой

Насколько я понимаю, магнитные поля, необходимые для удержания ионов на месте в квантовых компьютерах с ионной ловушкой, очень сложны, и по этой причине в настоящее время возможны только 1-D компьютеры, что снижает удобство связи между кубитами. Кажется, есть предложение для 2-й системы, использующей ловушку Пола. в этом препринте, но я не могу найти, было ли это на самом деле проверено.

Зависит ли масштабируемость квантовых компьютеров с ионной ловушкой от этого одного (могут ли ионы быть расположены в конфигурациях, отличных от прямой линии), или есть другие факторы? Если первое, какой прогресс был достигнут? Если последнее, каковы другие факторы?

Квантовые компьютеры с ионной ловушкой удерживают ионы в пустом пространстве, используя электрические, а не магнитные поля. Это невозможно при использовании статических полей ( теорема Эрншоу ), поэтому используется переменное поле. В результате заряженные частицы, такие как ионы, стремятся к минимуму поля; этот тип ионной ловушки также называют квадрупольной ловушкой, потому что простейшее поле (низшего порядка), имеющее минимум в пространстве, является квадрупольным полем. Простое расположение полей, которые ограничивают ионы либо точкой, либо линией, и квантовые компьютеры с ионной ловушкой используют последние. Тем не менее, это не масштабируется, потому что вычисления включают в себя двигательные моды ионов, которые становится труднее различить, когда есть больше ионов.

Есть два подхода, чтобы сделать этот подход масштабируемым: соединить цепочки ионов либо с помощью света (фотонов), либо путем переноса ионов из одной в другую в такой линейной секции ионной ловушки. Использование фотонов особенно сложно и далеко не годится для квантового компьютера, который соответствует порогу коррекции ошибок, поэтому давайте сосредоточимся на переносе ионов.

Математически истинные квадрупольные ловушки не могут быть построены так, чтобы иметь пересечения, но это не помешало физикам сделать их в любом случае. Хитрость в том, что, хотя нельзя расположить квадрупольное поле в центре пересечения, он все же может иметь ограничение. И, слегка вбивая ионы в ограничивающее (переменное) поле с помощью статического поля, можно получить достаточно сильное ограничение. Было даже показано, что такое перемещение по пересечению возможно без значительного нагрева иона (изменения его двигательного состояния).

С такими пересечениями ионные ловушки являются масштабируемыми.

Вы можете проверить это Schaetz и др., Отчеты о прогрессе в физике 2012 года " Экспериментальное квантовое моделирование физики многих тел с захваченными ионами " ( альтернативная ссылка в семантическом учебнике ). В итоге: да, расположение ионов является одним из ключевых ограничений масштабируемости, но нет, конфигурации в настоящее время не ограничены одной линией атомов . На этой бумаге проверьте рисунок 3 для экспериментальных флуоресцентных изображений ионов с лазерным охлаждением в общем ограничивающем потенциале линейной РЧ-ловушки, включающей в себя один ион, одну линию, зигзагообразную цепь и трехмерную конструкцию.

Из рисунка 3 в статье выше Schaetz et al: « Структурные фазовые переходы могут быть вызваны между одно-, двух- и трехмерными кристаллами, например, путем уменьшения отношения радиальных и осевых частот захвата ». Я уверен, что в последнее время обзорные документы должны существовать, но это первое, что я нашел удовлетворительным. Следует признать, что текущие результаты больше относятся к прямому моделированию, а не к универсальным вычислениям, например, из рисунка 13 в той же статье: « Неаддиабатическое изменение экспериментальных параметров во время структурного фазового перехода от линейной цепочки ионов к зигзагообразной структуре, порядка в пределах кристалл разбивается на домены, обрамленные топологически защищенными дефектами, подходящими для имитации солитонов ».

По той же теме, а также с 2012 года, еще одна статья, заслуживающая изучения, будет посвящена инженерным двумерным взаимодействиям Изинга в квантовом симуляторе с запертыми ионами с сотнями спинов (версия arXiv) ( версия для природы . , это ловушка Пеннинга в этом случае , а не в ловушку Павла Действительно, это не является универсальным квантовым вычислениям, а специализированное применение моделирования квантовым, но все - таки это , несомненно , экспериментальный прогресс в направлении. проведение ионов на месте в 2-D ловушку и, таким образом, продвижение к масштабируемости.

Я сам не специалист по ловушкам, но вот что я получил по масштабируемости на недавней (2017) конференции:

• Эксперименталисты играют с потенциалами и получают интересные комбинации, с центральными зонами, которые являются квазикристаллическими (цепочки, лестницы, ленты и т. Д.) И экзотическими кончиками (например, ленты или лестницы, которые заканчиваются в одном атоме).
• $s^1$$^+$$^+$$^{14}$$^2$
• Коллективные колебания используются как основа межбитового общения. Как и в предыдущем пункте, режим дыхания уникально стабилен и поэтому удобен в использовании, но другие вибрации также доступны и позволили бы получить более интересные схемы межбитовых коммуникаций.

Хотя я не экспериментатор и не изучал эти системы достаточно глубоко, мое (грубое) понимание заключается в следующем:

В ионных ловушках вы (более или менее) должны ловить ионы в линии. Однако это не является ограничением с точки зрения простоты связи, потому что вы, вероятно, думаете о том, что когда линейная система взаимодействует с ближайшими соседями, то есть каждый кубит может взаимодействовать только со своими непосредственными соседями. В ионных ловушках это не совсем так, потому что вы можете получить доступ к общему колебательному режиму всех ионов, чтобы произвольные пары взаимодействовали напрямую. Так что на самом деле это действительно хорошо.

Проблема в том, что количество кубитов вы можете хранить. Чем больше атомов вы поместите в ловушку, тем ближе друг к другу их энергетические уровни, и тем труднее им будет индивидуально обращаться, чтобы контролировать их и реализовывать врата. Это имеет тенденцию ограничивать количество кубитов, которые вы имеете в одной области захвата. Чтобы обойти это (и с дополнительным бонусом параллелизма, необходимым для исправления ошибок), люди хотят заставить несколько различных областей захвата взаимодействовать, либо с летающими кубитами, либо путем перемещения атомов между различными областями захвата. Этот второй подход, кажется, очень развивается. Это теоретическое предложение, но я наверняка видел работы, в которых были продемонстрированы основные компоненты .