Сверхбыстрые ионы — путь к созданию скоростных квантовых компьютеров

Физики из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) смогли ускорить ионы бериллия от 0 до 160 км/ч и снова полностью их остановить всего за несколько микросекунд времени. 

Во время проведенных экспериментов ионы бериллия, атомы, несущие электрический заряд, находившиеся в специальной ионной ловушке, двигались со скоростью, в 100 раз превышающей скорость, полученную в ходе ранних экспериментов. Ион проходил расстояние в 370 микрон за 8 микросекунд времени, что приблизительно равно скорости 160 км/ч. Такие «скоростные» ионы могут стать одним из компонентов высокоскоростных квантовых компьютеров будущего.

Стоит отметить, что в присутствии катализатора во время химических реакций ионы некоторых веществ могут двигаться и с гораздо большей скоростью. Но то, чего достигли ученые NIST, демонстрирует технологию точного контроля и управления быстрым ускорением, движением и торможением ионов бериллия. И самое, что важное в этом достижении, это то, что во время движения ионов их электронные энергетические уровни остаются полностью неизменными, что, в свою очередь, означает, что не изменяется содержимое квантовой информации, записанной и переносимой в этих ионах.

В квантовых компьютерах, которые могут решать самые сложные вычислительные задачи, информация, записанная в квантовых битах, кубитах, должна иметь возможность перемещаться в пределах квантового процессора. В некоторых случаях это делают с помощью фотонов света, а в случае ионных кубитов теперь стало возможным перемещать эти кубиты физически. Но ионы, обладавшие до этого малой скоростью перемещения, не могли угнаться за продолжительностью ионных квантовых вычислительных операций. Теперь же, время перемещения и время обработки почти эквивалентны, что позволит быстро перемещать ионы, производить обмен квантовой информацией и готовить их к повторному использованию за очень короткое время.

Ключевым моментом технологии контроля и управления перемещения ионов является специальная многозонная ионная ловушка, снабженная множеством электродов с помощью которых можно создать электрические поля определенной формы и напряженности. Не менее важное значение играет электроника, управляющая всей ловушкой в целом. «Сердцем» этой электроники является программируемая матрица FPGA, которая с высокой скоростью на аппаратном уровне позволяет вырабатывать запрограммированные последовательности электрических сигналов, прикладываемых к электродам ионной ловушки. Плавные изменения электрических поле препятствуют тому, что ионы начнут резонировать и «растеряют» свое квантовое состояние и квантовую информацию.

Воодушевленные успехом ученые считают, что с помощью такой же технологии станет возможным разогнать ионы и до существенно больших скоростей, при этом их квантовое состояние останется неизменным в момент их полной остановки. Но до практического применения подобных технологий еще очень и очень далеко, вначале ученым предстоит решить ряд побочных проблем и проблем технического плана, таких как нежелательный нагрев ионов энергией электромагнитных шумов и переменных электрических полей ионной ловушки.

www