Por primera vez, Los investigadores han diseñado un registro informático cuántico de iones atrapados de 32 qubits totalmente conectado que funciona a temperaturas criogénicas. El nuevo sistema representa un paso importante hacia el desarrollo de computadoras cuánticas prácticas.

Junki Kim de la Universidad de Duke presentará el nuevo diseño de hardware en la conferencia inaugural OSA Quantum 2.0 que se ubicará como un evento totalmente virtual con la conferencia OSA Frontiers in Optics and Laser Science APS / DLS (FiO + LS) del 14 al 17 de septiembre .

En lugar de usar bits de computadora tradicionales que solo pueden ser un cero o un uno, Las computadoras cuánticas usan qubits que pueden estar en una superposición de estados computacionales. Esto permite que las computadoras cuánticas resuelvan problemas que son demasiado complejos para las computadoras tradicionales.

Las computadoras cuánticas de iones atrapados se encuentran entre el tipo más prometedor de tecnología cuántica para la computación cuántica, pero ha sido un desafío crear estas computadoras con suficientes qubits para un uso práctico.

"En colaboración con la Universidad de Maryland, Hemos diseñado y construido varias generaciones de computadoras cuánticas con trampa de iones totalmente programables, ", dijo Kim." Este sistema es el último en el esfuerzo en el que muchos de los desafíos que conducen a la confiabilidad a largo plazo se abordan de frente ".

Ampliando las computadoras cuánticas

Las computadoras cuánticas de iones atrapados enfrían los iones a temperaturas extremadamente bajas, lo que les permite ser suspendidos en un campo electromagnético en un vacío ultra alto y luego manipulados con láseres precisos para formar qubits.

Hasta ahora, El logro de un alto rendimiento computacional en sistemas de trampa de iones a gran escala se ha visto obstaculizado por las colisiones con moléculas de fondo que interrumpen la cadena de iones. inestabilidad de los rayos láser que conducen las puertas lógicas vistas por el ion, y ruido de campo eléctrico de los electrodos atrapadores que agitan el movimiento del ión que se utiliza a menudo para crear enredos.

En el nuevo trabajo Kim y sus colegas abordaron estos desafíos incorporando enfoques dramáticamente nuevos. Los iones están atrapados en un recinto de vacío ultra alto localizado dentro de un criostato de ciclo cerrado enfriado a temperaturas de 4K. con mínimas vibraciones. Esta disposición elimina la perturbación de la cadena de qubit que surge de las colisiones con moléculas residuales del medio ambiente. y suprime fuertemente el calentamiento anómalo de la superficie de la trampa.

Para lograr perfiles limpios del rayo láser y minimizar los errores, los investigadores utilizaron una fibra de cristal fotónico para conectar varias partes del sistema óptico Raman que impulsa las puertas qubit, los componentes básicos de los circuitos cuánticos. Además, Los delicados sistemas láser necesarios para operar las computadoras cuánticas están diseñados para ser retirados de la mesa óptica e instalados en bastidores de instrumentos. Luego, los rayos láser se envían al sistema en fibras ópticas monomodo. Adoptaron nuevas formas de diseñar e implementar sistemas ópticos que eliminan fundamentalmente las inestabilidades mecánicas y térmicas para crear una configuración láser llave en mano para computadoras cuánticas de iones atrapados.

Los investigadores han demostrado que el sistema es capaz de cargar cadenas de iones qubit de forma automatizada bajo demanda. y puede realizar manipulaciones simples de qubit utilizando campos de microondas. El equipo está haciendo un progreso sólido hacia la implementación de puertas de enredo, de una manera que pueda escalar hasta 32 qubits completos.

En el trabajo futuro, y en colaboración con científicos informáticos e investigadores de algoritmos cuánticos, el equipo planea integrar software específico de hardware con el hardware de computación cuántica de iones atrapados. El sistema totalmente integrado, compuesto por qubits de iones atrapados completamente conectados y software específico de hardware, sentará las bases para las prácticas computadoras cuánticas de iones atrapados.