Gli scienziati del Joint Quantum Institute (JQI) hanno costantemente migliorato le prestazioni dei sistemi di trappola ionica, una piattaforma leader per i futuri computer quantistici. Ora, un team di ricercatori guidati da JQI Fellows Norbert Linke e Christopher Monroe ha eseguito un esperimento chiave su cinque bit quantistici basati su ioni, o qubit. Hanno usato impulsi laser per creare contemporaneamente connessioni quantistiche tra diverse coppie di qubit:è la prima volta che questo tipo di operazioni parallele è stato eseguito in una trappola ionica. Il nuovo studio, che è un passo fondamentale verso il calcolo quantistico su larga scala, è stato pubblicato il 24 luglio sulla rivista Natura .

"Quando si tratta dei requisiti di scalabilità per un computer quantistico, gli ioni intrappolati controllano tutte le caselle, "dice Monroe, che è anche il professore Bice-Sechi Zorn nel Dipartimento di Fisica UMD e co-fondatore della startup di calcolo quantistico IonQ. "Fare funzionare queste operazioni parallele illustra ulteriormente che l'avanzamento dei processori quantistici a trappola ionica non è limitato dalla fisica dei qubit ed è invece legato all'ingegneria dei loro controller".

Le trappole ioniche sono dispositivi per catturare atomi e molecole carichi, e sono comunemente utilizzati per l'analisi chimica. Negli ultimi decenni, fisici e ingegneri hanno combinato trappole ioniche con sofisticati sistemi laser per esercitare il controllo sui singoli ioni atomici. Oggi, questo tipo di hardware è uno dei più promettenti per la costruzione di un computer quantistico universale.

La trappola ionica JQI utilizzata in questo studio è costituita da elettrodi rivestiti in oro, che trasportano i campi elettrici che confinano gli ioni itterbio. Gli ioni vengono catturati nel mezzo della trappola dove formano una linea, ciascuno separato dal suo vicino di pochi micron. Questa configurazione consente ai ricercatori di avere un controllo preciso sui singoli ioni e di configurarli come qubit.

Ogni ione ha livelli energetici interni o stati quantistici che sono naturalmente isolati dalle influenze esterne. Questa caratteristica li rende ideali per l'archiviazione e il controllo delle informazioni quantistiche, che è notoriamente delicato. In questo esperimento, il team di ricerca utilizza due di questi stati, chiamato "0" e "1, " come il qubit.

I ricercatori puntano gli impulsi laser su una serie di qubit per eseguire programmi su questo computer quantistico su piccola scala. I programmi, detti anche circuiti, sono suddivisi in una serie di porte a uno e due qubit. Un gate a qubit singolo può, ad esempio, capovolgere lo stato di uno ione da 1 a 0. Questo è un compito semplice per un impulso laser. Un gate a due qubit richiede impulsi più sofisticati perché implica la personalizzazione delle interazioni tra i qubit. Alcune operazioni a due qubit possono creare entanglement, una connessione quantistica necessaria per il calcolo quantistico, tra due qubit.

Fino ad ora, i circuiti nei computer quantistici a trappola ionica sono stati limitati a una sequenza di porte individuali, uno dopo l'altro. Con questa nuova dimostrazione, i ricercatori possono ora eseguire porte a due qubit in parallelo, creando entanglement tra diverse coppie di ioni contemporaneamente. Il team di ricerca ha raggiunto questo obiettivo ottimizzando le sequenze di impulsi laser utilizzate per eseguire operazioni, assicurandosi di annullare le interazioni laser-qubit indesiderate. In questo modo, sono stati in grado di implementare con successo porte di entanglement simultanee su due coppie di ioni separate.

Secondo gli autori, le porte di collegamento parallelo consentiranno ai programmi di correggere gli errori durante un calcolo quantistico, un requisito quasi certo nei computer quantistici con molti più qubit. Inoltre, un computer quantistico che calcola grandi numeri o simula la fisica quantistica avrà probabilmente bisogno di operazioni di entanglement parallele per ottenere un vantaggio di velocità rispetto ai computer convenzionali.