研究人員首次設計了在低溫下運行的完全連接的32量子位捕獲離子量子計算機寄存器。新系統(tǒng)代表了開發(fā)實用量子計算機的重要一步。

杜克大學的Junki Kim將在首屆OSA Quantum 2.0會議上介紹新的硬件設計，該會議將與9月14日至17日在OSA光學和激光科學前沿APS / DLS(FiO + LS)會議上共同舉辦的全虛擬活動。

量子計算機不是使用只能為零或一的傳統(tǒng)計算機位，而是使用可以處于計算狀態(tài)疊加的量子位。這使量子計算機能夠解決傳統(tǒng)計算機過于復雜的問題。

俘獲離子量子計算機是用于量子計算的最有前途的量子技術之一，但是創(chuàng)建具有足夠量子比特以用于實際使用的計算機一直是一項挑戰(zhàn)。

“與馬里??蘭大學合作，我們設計和建造了幾代完全可編程的離子阱量子計算機，”金說。“該系統(tǒng)是最新的努力，可以直接解決許多導致長期可靠性的挑戰(zhàn)。”

擴大量子計算機的規(guī)模

俘獲離子量子計算機將離子冷卻到極低的溫度，這使它們能夠以超高真空懸浮在電磁場中，然后用精密的激光操縱??以形成量子位。

迄今為止，由于與破壞離子鏈的背景分子的碰撞，離子所看到的驅動邏輯門的激光束的不穩(wěn)定性以及來自捕獲電極的電場噪聲，阻礙了在大型離子阱系統(tǒng)中實現(xiàn)較高的計算性能。攪動常用于產生糾纏的離子運動。

在新工作中，Kim及其同事通過采用了戲劇性的新方法來應對這些挑戰(zhàn)。離子被捕獲在閉環(huán)低溫恒溫器內部的局部超高真空外殼中，該低溫恒溫器冷卻至4K溫度，且振動最小。這種布置消除了由于與環(huán)境中的殘留分子碰撞而引起的量子位鏈的干擾，并強烈抑制了來自捕集阱表面的異常加熱。

為了獲得干凈的激光束輪廓并最大程度地減少誤差，研究人員使用了光子晶體光纖來連接拉曼光學系統(tǒng)的各個部分，這些光學系統(tǒng)驅動量子位門(量子位的構建模塊)。此外，操作量子計算機所需的精密激光系統(tǒng)經過精心設計，可從光學平臺上取下并安裝在儀器機架中。然后，激光束以單模光纖傳輸?shù)较到y(tǒng)。他們采用了設計和實現(xiàn)光學系統(tǒng)的新方法，這些方法從根本上消除了機械和熱的不穩(wěn)定性，從而為捕獲的離子量子計算機創(chuàng)建了交鑰匙式激光裝置。

研究人員證明，該系統(tǒng)能夠按需自動加載離子量子比特鏈，并且可以使用微波場執(zhí)行簡單的量子比特操作。該團隊在實現(xiàn)糾纏門方面取得了可觀的進展，其方式可以擴展到完整的32量子位。

在未來的工作中，該團隊計劃與計算機科學家和量子算法研究人員合作，將特定于硬件的軟件與捕獲離子量子計算硬件集成在一起。由完全連接的俘獲離子量子位和特定于硬件的軟件組成的完全集成的系統(tǒng)將為實用的俘獲離子量子計算機奠定基礎。