Negli ultimi anni, i team di ricerca di tutto il mondo hanno cercato di creare computer quantistici a ioni intrappolati, che finora si sono rivelati tra i sistemi più promettenti per le implementazioni pratiche del calcolo quantistico. In questi computer, gli ioni intrappolati fungono da bit quantici che vengono impigliati per eseguire calcoli avanzati.

Alla ricerca di computer quantistici scalabili a ioni intrappolati, i ricercatori dell'Università di Oxford hanno recentemente implementato un cancello entanglement a due qubit tra due distinti elementi atomici, calcio e stronzio. Nel loro studio, in primo piano Lettere di revisione fisica , hanno usato un meccanismo a cancello che richiede solo un singolo laser, che avevano precedentemente testato su due diversi isotopi di calcio.

Una delle maggiori sfide nello sviluppo di computer quantistici a ioni intrappolati è la scalabilità (cioè, trovare modi per applicare approcci che hanno ottenuto risultati promettenti da pochi qubit a migliaia o addirittura milioni di qubit). Infatti, la semplice aggiunta di nuovi qubit a un sistema di calcolo quantistico spesso si traduce in una rapida diminuzione delle prestazioni, poiché introduce nuovi errori e rende più difficile interagire con un singolo qubit senza influenzare alcuni degli altri.

Per vincere questa sfida, il team di ricerca dell'Università di Oxford ha utilizzato due metodi noti come modularizzazione e reti ottiche. Essenzialmente, il loro obiettivo era quello di avere ioni in trappole ioniche separate e sistemi di vuoto, che sono collegati solo tramite fibre ottiche.

Questo approccio limita la diafonia tra qubit, mantenendo solo le interazioni che sono desiderabili e che possono essere controllate dai ricercatori. Ciò significa che una volta identificato un sistema che funziona bene, più dello stesso può essere aggiunto, poiché quelli nuovi non influiranno sulle prestazioni complessive.

"Per questo approccio, ma anche altre strategie per migliorare la scalabilità, l'uso di diverse specie di ioni è molto utile, " Vera M. Schäfer, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Prima di tutto, perché ioni diversi hanno diversi punti di forza e di debolezza. Per esempio, usiamo una specie di ioni che è un ottimo ione di memoria e logica, il che significa che può memorizzare informazioni per un tempo molto lungo (50 secondi rispetto a decine di millisecondi per qubit di ioni intrappolati "normali"), e otteniamo errori molto piccoli quando eseguiamo calcoli con questa specie di ioni; l'altra specie è molto migliore (e più veloce) nell'accoppiamento con i fotoni. In secondo luogo, perché un problema con gli ioni intrappolati è che si riscaldano lentamente nel tempo. Se abbiamo due specie diverse, possiamo usare la seconda specie per raffreddare gli ioni durante un calcolo, che riduce il problema del riscaldamento."

Per utilizzare specie diverse per realizzare applicazioni di calcolo quantistico di ioni intrappolati, i ricercatori dovrebbero essere in grado di trasferire informazioni tra queste specie. Questo può essere fatto producendo quello che è noto come un gate a due qubit.

In uno dei loro studi precedenti, Schäfer, Amy Hughes e i suoi colleghi hanno eseguito con successo un gate a due qubit tra diversi isotopi di calcio. Implementando una tale porta tra elementi atomici completamente diversi, però, sarebbe molto più utile. Questo perché elementi diversi hanno caratteristiche molto diverse e mostrano frequenze di transizione distinte.

Di conseguenza, quando si esegue un'operazione su una specie utilizzando la tecnologia laser, le altre specie rimarrebbero del tutto inalterate. Contemporaneamente, però, poiché i due elementi possono anche avere masse diverse, controllarne il movimento può essere molto più complicato.

"Nel nostro lavoro precedente, abbiamo eseguito il gate su due diversi isotopi del calcio con un unico laser, che è stata una decisione abbastanza naturale perché la maggior parte delle frequenze di transizione sono ancora abbastanza vicine in diversi isotopi, " ha detto Schäfer. "Tuttavia, abbiamo notato che per lo stronzio, l'elemento che più si presta ad essere utilizzato insieme al calcio, le frequenze di transizione non sono così distanti, e [abbiamo pensato] che forse avremmo potuto usare lo stesso schema che ha funzionato per diversi isotopi per diversi elementi".

La somiglianza tra le frequenze di transizione del calcio e dello stronzio ha notevolmente semplificato il problema in questione, consentendo in definitiva ai ricercatori di ottenere fedeltà più elevate rispetto a quelle raggiunte durante la produzione di altri cancelli a elementi misti. La loro implementazione di successo di una porta di specie miste potrebbe essere un significativo passo avanti nella realizzazione del calcolo quantistico su larga scala, consentendo anche ai ricercatori di sfruttare contemporaneamente le proprietà di due elementi diversi.

"L'idea di base dietro le porte di entanglement di ioni intrappolati è quella di creare una correlazione tra gli stati dei qubit degli ioni attraverso il loro movimento, che è fortemente accoppiato in quanto si respingono a causa della loro carica, " ha detto Schäfer. "La luce laser può accoppiarsi al movimento degli ioni e, Per esempio, spingerli in una certa direzione. Possiamo applicare la luce laser che si accoppia in modo diverso agli ioni in stati di qubit opposti, per esempio., spingerà uno ione nello stato |1> , ma tira uno ione nello stato |0> . Così, per alcune combinazioni di stati qubit il moto comune verrà annullato e per altri potenziato, e possiamo usarlo per creare entanglement."

Molti ricercatori che in precedenza hanno implementato porte entanglement a due qubit di specie miste hanno utilizzato laser diversi per manipolare elementi diversi. Per fare questo, però, i ricercatori devono assicurarsi che i due laser siano ben sincronizzati e calibrati in modo da avere un effetto simile sulle due diverse specie di ioni.

Schäfer, Hughes e i loro colleghi, d'altra parte, usato solo un singolo laser. Ciò significa che, sebbene non fosse necessario sincronizzarlo in alcun modo particolare, avevano anche meno gradi di libertà disponibili per la calibrazione e dovevano identificare una posizione che consentisse di accoppiare entrambe le specie in modo simile. Poiché i cristalli di specie miste sono più sensibili a particolari effetti esterni (ad es. campi elettrici vaganti), i ricercatori hanno dovuto prestare più attenzione durante la calibrazione rispetto a quando implementavano un singolo cancello di specie.

"Il cancello è stato realizzato utilizzando una coppia di raggi laser (a circa 402 nm), che può accoppiarsi ed eccitare simultaneamente il movimento sia del calcio che dello stronzio, " ha spiegato Schäfer. "Abbiamo utilizzato tre metodi diversi per caratterizzare le prestazioni del gate:misurare lo stato dell'uscita dopo un singolo gate e confrontarlo con l'uscita ideale; eseguire una sequenza di porte simile a un algoritmo con e senza interlacciare la nostra porta e confrontare l'entità degli errori tra i due; e l'esecuzione di sequenze che migliorano diversi tipi di errori per caratterizzare la natura delle nostre fonti di errore".

Per valutare le prestazioni del loro cancello, i ricercatori hanno utilizzato tre metodi noti come tomografia a stato parziale, benchmarking randomizzato e tomografia gate set. La tomografia a stato parziale consiste nell'implementare una singola porta e quindi misurare il suo stato di uscita.

"Questo è il metodo più semplice e più comunemente usato, " ha detto Schäfer. "Perché in media otteniamo solo un errore in due su 1, 000 porte, dobbiamo farlo molte volte per ottenere una stima accurata dell'errore di gate, ed è più difficile distinguere tra quanti errori sono stati causati dalla porta stessa e quanti dalla lettura dello stato finale, rispetto al secondo metodo che abbiamo usato."

Benchmarking randomizzato, la seconda strategia di valutazione utilizzata da Schäfer, Hughes e i loro colleghi, comporta l'implementazione di più porte consecutive inserendo tra loro diversi tipi di porte per cambiare continuamente lo stato di ingresso, dopo di che viene applicato ogni cancello. Successivamente, i ricercatori hanno confrontato l'errore tra solo questa sequenza casuale e una sequenza in cui la loro porta è stata introdotta in modo intermittente tra le porte casuali.

"Il benchmarking randomizzato è più adatto per misurare errori molto piccoli, perché eseguiamo molte operazioni di gate prima di leggere lo stato finale, e il risultato è più paragonabile alle prestazioni attese in un algoritmo reale, " ha detto Schäfer.

Finalmente, tomografia dell'insieme del cancello, l'ultimo metodo utilizzato dai ricercatori per valutare il loro cancello, cerca di quantificare e caratterizzare gli errori prodotti quando viene implementata una porta. Per fare questo, produce sequenze progettate per aumentare l'effetto di specifici tipi di errori al fine di quantificare l'importo totale dell'errore di ciascun tipo. Le informazioni ottenute dall'utilizzo di questa tecnica sono utili per i teorici che stanno cercando di sviluppare schemi di correzione degli errori più efficienti.

"Penso che il lavoro su specie miste a volte abbia la reputazione di essere piuttosto complesso, difficile e difficile da fare bene, " ha detto Schäfer. "Il nostro lavoro ha dimostrato che scegliendo lo schema giusto, possiamo effettivamente eseguire porte di specie miste quasi come porte di singole specie. Ci sono anche alcune cose di cui ci si potrebbe preoccupare inizialmente, che si è rivelato completamente irrilevante in questo schema".

Il recente studio condotto da Schäfer, Hughes e i loro colleghi potrebbero infine contribuire alla creazione di nuovi approcci di calcolo quantistico di ioni intrappolati che sono più facili da scalare. Nel futuro, potrebbe anche servire da ispirazione per altri gruppi di ricerca che stanno cercando di implementare porte di inclusione di specie miste, fornendo alcune indicazioni su come raggiungere al meglio questo obiettivo.

"Stiamo testando un meccanismo del cancello impigliante di specie miste diverse, e vogliono confrontare i loro vantaggi, svantaggi e requisiti per poter scegliere lo schema migliore per determinate circostanze, " ha detto Schäfer. "Vogliamo anche implementare questa porta di specie miste sul nostro esperimento di entanglement ione-fotone, per dimostrare il suo utilizzo per la costruzione di un computer quantistico scalabile a ioni intrappolati e utilizzarlo per eseguire la distillazione dell'entanglement".

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