Una nuova tecnica di raffreddamento che utilizza una singola specie di ioni intrappolati sia per il calcolo che per il raffreddamento potrebbe semplificare l'uso di dispositivi quantistici ad accoppiamento di carica (QCCD), avvicinando potenzialmente il calcolo quantistico alle applicazioni pratiche.
Utilizzando una tecnica chiamata raffreddamento a scambio ionico rapido, gli scienziati del Georgia Tech Research Institute (GTRI) hanno dimostrato di poter raffreddare uno ione calcio, che guadagna energia vibrazionale mentre esegue calcoli quantistici, spostando uno ione freddo della stessa specie in prossimità . Dopo aver trasferito l'energia dallo ione caldo a quello freddo, lo ione refrigerante viene restituito a un serbatoio vicino per essere raffreddato per un ulteriore utilizzo.
La ricerca è riportata sulla rivista Nature Communications .
Il raffreddamento ionico convenzionale per i QCCD prevede l’uso di due diverse specie di ioni, con ioni di raffreddamento accoppiati a laser di diversa lunghezza d’onda che non influenzano gli ioni utilizzati per il calcolo quantistico. Oltre ai laser necessari per controllare le operazioni di calcolo quantistico, questa tecnica di raffreddamento simpatico richiede laser aggiuntivi per intrappolare e controllare gli ioni refrigeranti e ciò aumenta la complessità e rallenta le operazioni di calcolo quantistico.
"Abbiamo mostrato un nuovo metodo per raffreddare gli ioni in modo più rapido e semplice in questa promettente architettura QCCD", ha affermato Spencer Fallek, ricercatore GTRI. "Il raffreddamento a scambio rapido può essere più veloce perché il trasporto degli ioni di raffreddamento richiede meno tempo rispetto al raffreddamento del laser di due specie diverse. Ed è più semplice perché l'utilizzo di due specie diverse richiede il funzionamento e il controllo di più laser."
Il movimento degli ioni avviene in una trappola mantenuta controllando con precisione le tensioni che creano un potenziale elettrico tra i contatti d'oro. Ma spostare un atomo freddo da una parte della trappola è un po' come spostare una ciotola con una biglia sul fondo.
Quando la ciotola smette di muoversi, la biglia deve rimanere ferma, senza rotolare nella ciotola, ha spiegato Kenton Brown, uno dei principali ricercatori del GTRI che ha lavorato su problemi di informatica quantistica per più di 15 anni.
"Questo è fondamentalmente ciò che cerchiamo sempre di fare con questi ioni quando spostiamo il potenziale di confinamento, che è come la ciotola, da un punto all'altro della trappola", ha detto. "Quando abbiamo finito di spostare il potenziale di confinamento nella posizione finale della trappola, non vogliamo che lo ione si muova all'interno del potenziale."
Una volta che lo ione caldo e lo ione freddo sono vicini l'uno all'altro, avviene un semplice scambio di energia e lo ione freddo originale, ora riscaldato dalla sua interazione con uno ione computazionale, può essere scisso e restituito a un vicino serbatoio di ioni raffreddati. /P>
I ricercatori del GTRI hanno finora dimostrato un sistema di prova a due ioni, ma affermano che la loro tecnica è applicabile all'uso di più ioni di calcolo e raffreddamento e altre specie di ioni.
Un singolo scambio di energia ha rimosso più del 96% del calore, misurato come 102(5) quanti, dallo ione di calcolo, il che è stato una piacevole sorpresa per Brown, che si aspettava che potessero essere necessarie interazioni multiple. I ricercatori hanno testato lo scambio di energia variando la temperatura iniziale degli ioni computazionali e hanno scoperto che la tecnica è efficace indipendentemente dalla temperatura iniziale. Hanno anche dimostrato che l'operazione di scambio di energia può essere eseguita più volte.
Il calore, essenzialmente energia vibrazionale, penetra nel sistema ionico intrappolato sia attraverso l'attività computazionale che a causa di un riscaldamento anomalo, come l'inevitabile rumore a radiofrequenza nella trappola ionica stessa. Poiché lo ione computazionale assorbe calore da queste fonti anche mentre viene raffreddato, la rimozione di oltre il 96% dell'energia richiederà ulteriori miglioramenti, ha affermato Brown.
I ricercatori immaginano che in un sistema operativo, gli atomi raffreddati sarebbero disponibili in un serbatoio a lato delle operazioni QCCD e mantenuti a una temperatura costante. Gli ioni computazionali non possono essere raffreddati direttamente dal laser perché così facendo si cancellerebbero i dati quantistici in essi contenuti.
Il calore eccessivo in un sistema QCCD influisce negativamente sulla fedeltà delle porte quantistiche, introducendo errori nel sistema. I ricercatori del GTRI non hanno ancora costruito un QCCD che utilizzi la loro tecnica di raffreddamento, anche se questo è un passo futuro nella ricerca. Altro lavoro da svolgere include l'accelerazione del processo di raffreddamento e lo studio della sua efficacia nel raffreddamento del movimento lungo altre direzioni spaziali.
La componente sperimentale dell'esperimento di raffreddamento a scambio rapido è stata guidata da simulazioni effettuate per prevedere, tra gli altri fattori, i percorsi che gli ioni avrebbero seguito nel loro viaggio all'interno della trappola ionica. "Abbiamo sicuramente capito cosa stavamo cercando e come dovevamo procedere per ottenerlo sulla base della teoria e delle simulazioni a nostra disposizione", ha affermato Brown.
L'esclusiva trappola ionica è stata fabbricata dai collaboratori dei Sandia National Laboratories. I ricercatori del GTRI hanno utilizzato schede di generazione di tensione controllate da computer in grado di produrre forme d'onda specifiche nella trappola, che ha un totale di 154 elettrodi, di cui 48 nell'esperimento. Gli esperimenti si sono svolti in un criostato mantenuto a circa 4 gradi Kelvin.
La Divisione Sistemi Quantistici (QSD) di GTRI studia i sistemi di calcolo quantistico basati su singoli ioni atomici intrappolati e nuovi dispositivi di sensori quantistici basati su sistemi atomici. I ricercatori del GTRI hanno progettato, fabbricato e dimostrato una serie di trappole ioniche e componenti all'avanguardia per supportare sistemi di informazione quantistica integrati. Tra le tecnologie sviluppate c'è la capacità di trasportare con precisione gli ioni dove sono necessari.
"Abbiamo un controllo molto preciso su come si muovono gli ioni, sulla velocità con cui possono essere riuniti, sul potenziale in cui si trovano quando sono vicini l'uno all'altro e sui tempi necessari per fare esperimenti come questo", ha detto Fallek.
Altri ricercatori GTRI coinvolti nel progetto includevano Craig Clark, Holly Tinkey, John Gray, Ryan McGill e Vikram Sandhu. La ricerca è stata condotta in collaborazione con il Los Alamos National Laboratory.
Ulteriori informazioni: Spencer D. Fallek et al, Raffreddamento a scambio rapido con ioni intrappolati, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45232-z
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dal Georgia Institute of Technology
