Per la prima volta, i ricercatori hanno progettato un registro di computer quantistico a ioni intrappolati a 32 qubit completamente connesso che opera a temperature criogeniche. Il nuovo sistema rappresenta un passo importante verso lo sviluppo di computer quantistici pratici.

Junki Kim della Duke University presenterà il nuovo design hardware alla conferenza inaugurale OSA Quantum 2.0 che sarà ospitata come evento completamente virtuale con la conferenza OSA Frontiers in Optics and Laser Science APS/DLS (FiO + LS) 14-17 settembre .

Invece di utilizzare i tradizionali bit di computer che possono essere solo uno zero o uno, i computer quantistici usano qubit che possono trovarsi in una sovrapposizione di stati computazionali. Ciò consente ai computer quantistici di risolvere problemi troppo complessi per i computer tradizionali.

I computer quantistici a ioni intrappolati sono tra i tipi più promettenti di tecnologia quantistica per l'informatica quantistica, ma è stato difficile creare questi computer con abbastanza qubit per l'uso pratico.

"In collaborazione con l'Università del Maryland, abbiamo progettato e costruito diverse generazioni di computer quantistici a trappola ionica completamente programmabili, " ha detto Kim. "Questo sistema è l'ultimo sforzo in cui molte delle sfide che portano all'affidabilità a lungo termine vengono affrontate frontalmente".

Scalabilità dei computer quantistici

I computer quantistici a ioni intrappolati raffreddano gli ioni a temperature estremamente basse, che consente loro di essere sospesi in un campo elettromagnetico in un vuoto ultra-alto e quindi manipolati con laser precisi per formare qubit.

Finora, il raggiungimento di elevate prestazioni computazionali in sistemi di trappola ionica su larga scala è stato ostacolato dalle collisioni con molecole di fondo che interrompono la catena ionica, instabilità dei raggi laser che guidano le porte logiche viste dallo ione, e il rumore del campo elettrico dagli elettrodi di intrappolamento che agitano il movimento dello ione spesso utilizzato per creare entanglement.

Nel nuovo lavoro, Kim e colleghi hanno affrontato queste sfide incorporando approcci radicalmente nuovi. Gli ioni sono intrappolati in un involucro ad altissimo vuoto localizzato all'interno di un criostato a ciclo chiuso raffreddato a temperature di 4K, con vibrazioni minime. Questa disposizione elimina il disturbo della catena qubit derivante da collisioni con molecole residue dall'ambiente, e sopprime fortemente il riscaldamento anomalo dalla superficie della trappola.

Per ottenere profili del raggio laser puliti e ridurre al minimo gli errori, i ricercatori hanno utilizzato una fibra di cristallo fotonico per collegare varie parti del sistema ottico Raman che guida le porte qubit, gli elementi costitutivi dei circuiti quantistici. Inoltre, i delicati sistemi laser necessari per far funzionare i computer quantistici sono progettati per essere rimossi dal tavolo ottico e installati nei rack degli strumenti. I raggi laser vengono quindi inviati al sistema in fibre ottiche monomodali. Hanno abbracciato nuovi modi di progettare e implementare sistemi ottici che eliminano fondamentalmente le instabilità meccaniche e termiche per creare una configurazione laser chiavi in ​​mano per computer quantistici a ioni intrappolati.

I ricercatori hanno dimostrato che il sistema è in grado di caricare automaticamente su richiesta catene di qubit ionici, e può eseguire semplici manipolazioni di qubit utilizzando campi a microonde. Il team sta compiendo solidi progressi verso l'implementazione di cancelli impiglianti, in un modo che può scalare fino a 32 qubit completi.

Nel lavoro futuro, e in collaborazione con scienziati informatici e ricercatori di algoritmi quantistici, il team prevede di integrare il software specifico dell'hardware con l'hardware di calcolo quantistico a ioni intrappolati. Il sistema completamente integrato, composto da qubit a ioni intrappolati completamente connessi e software specifico per l'hardware, getterà le basi per pratici computer quantistici a ioni intrappolati.