En años recientes, equipos de investigación de todo el mundo han intentado crear computadoras cuánticas de iones atrapados, que hasta ahora han demostrado estar entre los sistemas más prometedores para implementaciones prácticas de computación cuántica. En estas computadoras, Los iones atrapados sirven como bits cuánticos que se entrelazan para realizar cálculos avanzados.

En una búsqueda para desarrollar computadoras cuánticas de iones atrapados escalables, investigadores de la Universidad de Oxford han implementado recientemente una puerta de enredo de dos qubit entre dos elementos atómicos distintos, calcio y estroncio. En su estudio, presentado en Cartas de revisión física , usaron un mecanismo de puerta que requiere solo un láser, que habían probado previamente en dos isótopos de calcio diferentes.

Uno de los mayores desafíos en el desarrollo de computadoras cuánticas de iones atrapados es la escalabilidad (es decir, encontrar formas de aplicar enfoques que lograron resultados prometedores en unos pocos qubits a miles o incluso millones de qubits). De hecho, simplemente agregar nuevos qubits a un sistema de computación cuántica a menudo resulta en una rápida disminución en el rendimiento, ya que introduce nuevos errores y dificulta la interacción con un solo qubit sin afectar a algunos de los demás.

Para superar este desafío, el equipo de investigación de la Universidad de Oxford utilizó dos métodos conocidos como modularización y redes ópticas. Esencialmente, su objetivo era tener iones en trampas de iones y sistemas de vacío separados, que solo están conectados a través de fibras ópticas.

Este enfoque limita la diafonía entre qubits, reteniendo solo las interacciones que son deseables y pueden ser controladas por los investigadores. Esto significa que una vez que se identifica un sistema que funciona bien, se pueden agregar más de lo mismo, ya que los nuevos no afectarán el rendimiento general.

"Para este enfoque, sino también otras estrategias para mejorar la escalabilidad, el uso de diferentes especies de iones es muy útil, "Vera M. Schäfer, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "En primer lugar, porque los diferentes iones tienen diferentes fortalezas y debilidades. Por ejemplo, Usamos una especie de iones que tiene muy buena memoria y un ión lógico, lo que significa que puede almacenar información durante mucho tiempo (50 segundos en comparación con las decenas de milisegundos de los qubits de iones atrapados "normales"). y obtenemos errores muy pequeños al realizar cálculos con esta especie de iones; la otra especie es mucho mejor (y más rápida) para acoplarse a los fotones. En segundo lugar, porque un problema con los iones atrapados es que se calientan lentamente con el tiempo. Si tenemos dos especies diferentes, podemos usar la segunda especie para enfriar los iones durante un cálculo, lo que disminuye el problema de la calefacción ".

Utilizar diferentes especies para realizar aplicaciones de computación cuántica de iones atrapados, los investigadores deberían poder transferir información entre estas especies. Esto se puede hacer produciendo lo que se conoce como una puerta de dos qubit.

En uno de sus estudios anteriores, Schäfer, Amy Hughes y sus colegas realizaron con éxito una puerta de dos qubit entre diferentes isótopos de calcio. Implementar una puerta de este tipo entre elementos atómicos completamente diferentes, sin embargo, sería mucho más útil. Esto se debe a que los diferentes elementos tienen características muy diferentes y muestran distintas frecuencias de transición.

Como resultado, al realizar una operación en una especie utilizando tecnología láser, las otras especies no se verían afectadas por completo. Simultaneamente, sin embargo, como los dos elementos también pueden tener masas diferentes, controlar su movimiento puede ser mucho más complicado.

"En nuestro trabajo anterior, realizamos la puerta en dos isótopos diferentes de calcio con un solo láser, que fue una decisión bastante natural porque la mayoría de las frecuencias de transición todavía están bastante cerca en diferentes isótopos, ", Dijo Schäfer." Sin embargo, notamos que para el estroncio, el elemento más adecuado para usar junto con el calcio, las frecuencias de transición no están tan separadas, y [pensamos] que tal vez podríamos usar el mismo esquema que funcionó para diferentes isótopos para diferentes elementos ".

La similitud entre las frecuencias de transición del calcio y el estroncio simplificó enormemente el problema en cuestión, permitiendo en última instancia a los investigadores lograr una fidelidad más alta que la obtenida al producir otras puertas de elementos mixtos. Su implementación exitosa de una puerta de especies mixtas podría ser un paso adelante significativo en la realización de la computación cuántica a gran escala. al mismo tiempo que permite a los investigadores aprovechar simultáneamente las propiedades de dos elementos diferentes.

"La idea básica detrás de las puertas de enredo de iones atrapados es crear una correlación entre los estados qubit de los iones a través de su movimiento, que está fuertemente acoplado ya que se repelen entre sí debido a su carga, ", Dijo Schäfer." La luz láser puede acoplarse al movimiento de los iones y, por ejemplo, Empújelos en una determinada dirección. Podemos aplicar luz láser que se acople de manera diferente a iones en estados qubit opuestos, p.ej., empujará un ion en el estado | 1> , pero tira de un ion en el estado | 0> . Por lo tanto, para algunas combinaciones de estados de qubit, el movimiento común se cancelará y para otras se mejorará, y podemos usar eso para crear un enredo ".

Muchos investigadores que anteriormente implementaron puertas de enredo de dos qubits de especies mixtas utilizaron diferentes láseres para manipular diferentes elementos. Para hacer esto, sin embargo, los investigadores deben asegurarse de que los dos láseres estén bien sincronizados y calibrados para que tengan un efecto similar en las dos especies de iones diferentes.

Schäfer, Hughes y sus colegas, por otra parte, Solo usé un solo láser. Esto significa que, si bien no necesitaban sincronizarlo de ninguna manera en particular, también tenían menos grados de libertad disponibles para la calibración y tenían que identificar una posición que le permitiera acoplar ambas especies de manera similar. Como los cristales de especies mixtas son más sensibles a efectos externos particulares (p. Ej., campos eléctricos dispersos), los investigadores tuvieron que ser más cuidadosos durante la calibración de lo que lo harían al implementar una puerta de una sola especie.

"La puerta se implementó usando un par de rayos láser (a aproximadamente 402 nm), que puede acoplar y excitar el movimiento tanto del calcio como del estroncio simultáneamente, "Schäfer explicó." Usamos tres métodos diferentes para caracterizar el rendimiento de la puerta:midiendo el estado de salida después de una sola puerta y comparándolo con la salida ideal; ejecutar una secuencia de puertas similar a un algoritmo con y sin entrelazar nuestra puerta y comparar la magnitud de los errores entre las dos; y ejecutar secuencias que mejoran los diferentes tipos de errores para caracterizar la naturaleza de nuestras fuentes de error ".

Para evaluar el desempeño de su puerta, los investigadores utilizaron tres métodos conocidos como tomografía de estado parcial, evaluación comparativa aleatorizada y tomografía de conjunto de puertas. La tomografía de estado parcial consiste en implementar una sola puerta y luego medir su estado de salida.

"Este es el método más simple y más utilizado, ", Dijo Schäfer." Porque, en promedio, solo obtenemos un error en dos de cada 1, 000 puertas, tenemos que hacer esto muchas veces para obtener una estimación precisa del error de la puerta, y es más difícil distinguir entre cuántos errores fueron causados ​​por la puerta en sí y cuántos por la lectura del estado final, en comparación con el segundo método que usamos ".

Evaluación comparativa aleatoria, la segunda estrategia de evaluación utilizada por Schäfer, Hughes y sus colegas, implica la implementación de varias puertas consecutivas mientras se insertan diferentes tipos de puertas entre ellas para cambiar continuamente el estado de entrada, después de lo cual se aplica cada puerta. Después, los investigadores compararon el error entre solo esta secuencia aleatoria y una secuencia en la que su puerta se introdujo intermitentemente entre las puertas aleatorias.

"La evaluación comparativa aleatoria es más adecuada para medir errores muy pequeños, porque realizamos muchas operaciones de puerta antes de leer el estado final, y el resultado es más comparable al rendimiento esperado en un algoritmo real, ", Dijo Schäfer.

Finalmente, tomografía del sistema de la puerta, el último método utilizado por los investigadores para evaluar su puerta, intenta cuantificar y caracterizar los errores que se producen cuando se implementa una puerta. Para hacer esto, produce secuencias que están diseñadas para aumentar el efecto de tipos específicos de errores con el fin de cuantificar la cantidad total de error de cada tipo. La información obtenida mediante el uso de esta técnica es útil para los teóricos que intentan desarrollar esquemas de corrección de errores más eficientes.

"Creo que el trabajo de especies mixtas a veces tiene la reputación de ser bastante complejo y difícil y difícil de hacer bien, ", Dijo Schäfer." Nuestro trabajo demostró que al elegir el esquema correcto, de hecho, podemos realizar puertas de especies mixtas casi tan bien como puertas de especies individuales. También hay algunas cosas de las que uno podría preocuparse inicialmente, que resultó ser completamente irrelevante en este esquema ".

El reciente estudio realizado por Schäfer, Hughes y sus colegas podrían contribuir en última instancia a la creación de nuevos enfoques de computación cuántica de iones atrapados que sean más fáciles de escalar. En el futuro, También podría servir de inspiración para otros grupos de investigación que están tratando de implementar compuertas de enredo de especies mixtas, proporcionando alguna orientación sobre cómo lograrlo de la mejor manera.

"Ahora estamos probando un mecanismo de compuerta de enredo de diferentes especies mixtas, y quiere comparar sus ventajas, desventajas y requisitos para poder elegir el mejor esquema para determinadas circunstancias, ", Dijo Schäfer." También queremos implementar esta puerta de especies mixtas en nuestro experimento de entrelazamiento de fotones de iones, para demostrar su uso para construir una computadora cuántica de iones atrapados escalable y usarla para realizar destilación por entrelazamiento ".

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