QS&T: Ученые создали самый точный метод управления квантовыми компьютерами

С помощью лазерного излучения исследователи разработали наиболее надежный из известных на сегодняшний день методов управления отдельными кубитами, изготовленными из химического элемента бария. Возможность надежного управления кубитами является важным достижением для реализации будущих функциональных квантовых компьютеров.

Новый метод, разработанный в Институте квантовых вычислений Университета Ватерлоо (IQC), использует небольшой стеклянный волновод для разделения лазерных лучей и их фокусировки на расстоянии четырех микрон друг от друга, что составляет примерно четыре сотых ширины одного человеческого волоса. Точность и степень параллельного управления каждым сфокусированным лазерным лучом на целевом кубите не имеет аналогов в предыдущих исследованиях.

Наша конструкция ограничивает перекрестные помехи — количество света, падающего на соседние ионы, — до очень малой относительной интенсивности в 0,01%, что является одним из лучших показателей в квантовом сообществе, — сказал д-р К. Раджибул Ислам, профессор IQC и факультета физики и астрономии Ватерлоо.

В отличие от предыдущих методов создания гибкого управления отдельными ионами, модуляторы на основе волокна не влияют друг на друга.

Это означает, что мы можем разговаривать с любым ионом, не затрагивая его соседей, и при этом сохранять возможность максимально возможного управления каждым отдельным ионом. Это самая гибкая система управления ионными кубитами с такой высокой точностью, которая нам известна как в академической, так и в промышленной среде.

В качестве объекта исследования были выбраны ионы бария, которые становятся все более популярными в области квантовых вычислений с использованием ионных ловушек. Ионы бария обладают удобными энергетическими состояниями, которые можно использовать в качестве нулевого и единичного уровней кубита и манипулировать ими с помощью видимого зеленого света, в отличие от более высокоэнергетического ультрафиолетового света, который необходим для других типов атомов для таких же манипуляций. Это позволяет исследователям использовать коммерчески доступные оптические технологии, недоступные для ультрафиолетовых длин волн.

Исследователи создали волноводный чип, который разделяет один лазерный луч на 16 различных каналов света. Каждый канал направляется в отдельные волоконно-оптические модуляторы, которые независимо друг от друга обеспечивают гибкое управление интенсивностью, частотой и фазой каждого лазерного луча. Затем лазерные пучки фокусируются на малом расстоянии друг от друга с помощью ряда оптических линз, аналогичных телескопу. Исследователи подтвердили фокусировку и управление каждым лазерным лучом, измерив их с помощью точных камерных датчиков.

Эта работа является частью наших усилий в Университете Ватерлоо по созданию ионно-бариевых квантовых процессоров с использованием атомных систем, — говорит доктор Кристал Сенько, соруководитель исследования Ислама и преподаватель IQC и факультета физики и астрономии Университета Ватерлоо.

Мы используем ионы, поскольку они являются идентичными, созданными природой кубитами, и нам не нужно их изготавливать. Наша задача — найти способы управления ими.

Новый волноводный метод демонстрирует простой и точный способ управления, что открывает перспективы для манипулирования ионами с целью кодирования и обработки квантовых данных, а также для применения в квантовом моделировании и вычислениях.

11.09.2023