Khả năng mở rộng của máy tính lượng tử bẫy ion

Hiểu biết của tôi là từ trường cần thiết để giữ các ion trong máy tính lượng tử bẫy ion rất phức tạp và vì lý do đó, hiện tại, chỉ có máy tính 1 chiều là có thể, do đó làm giảm sự dễ dàng giao tiếp giữa các qubit. Dường như có một đề xuất cho hệ thống 2 chiều sử dụng bẫy Paul trong bản in lại này nhưng tôi dường như không thể tìm thấy nếu điều này thực sự đã được thử nghiệm.

Liệu khả năng mở rộng của máy tính lượng tử bẫy ion chỉ phụ thuộc vào điều này (liệu các ion có thể được sắp xếp theo cấu hình khác với một đường thẳng) hay các yếu tố khác có được yêu cầu không? Nếu trước đây, những tiến bộ đã được thực hiện? Nếu sau này, các yếu tố khác là gì?

Máy tính lượng tử bẫy ion giữ các ion trong không gian trống bằng cách sử dụng điện từ trường. Điều đó là không thể khi sử dụng các trường tĩnh ( định lý Earnshaw ) vì vậy một trường xen kẽ được sử dụng. Hiệu quả là các hạt tích điện như các ion tìm kiếm trường tối thiểu; loại bẫy ion này còn được gọi là bẫy tứ cực vì trường đơn giản nhất (bậc thấp nhất) có tối thiểu trong không gian là trường tứ cực. Thật đơn giản để sắp xếp các trường giới hạn các ion hoặc đến một điểm hoặc cho một máy tính lượng tử bẫy và đường ion sử dụng cái sau. Tuy nhiên, điều này không mở rộng được vì các tính toán liên quan đến các chế độ chuyển động của các ion trở nên khó phân biệt hơn khi có nhiều ion hơn.

Có hai cách tiếp cận để làm cho phương pháp này có thể mở rộng: Cặp chuỗi các ion hoặc sử dụng ánh sáng (photon) hoặc bằng cách xáo trộn các ion từ phần này sang phần bẫy ion tuyến tính như vậy. Việc sử dụng các photon đặc biệt khó khăn và không thể thực hiện được đối với một máy tính lượng tử đáp ứng ngưỡng sửa lỗi, vì vậy hãy tập trung vào việc xáo trộn các ion.

Về mặt toán học, bẫy tứ cực thực sự không thể được xây dựng để có giao điểm nhưng điều đó đã không ngăn các nhà vật lý biến chúng thành bất kỳ cách nào. Bí quyết là, mặc dù người ta không thể sắp xếp để có một trường tứ cực ở trung tâm của giao lộ, người ta vẫn có thể bị giam cầm. Và bằng cách lái các ion nhẹ vào trường giới hạn (xen kẽ) bằng cách sử dụng trường tĩnh, người ta có thể có được sự giam cầm đủ mạnh. Nó thậm chí đã được chứng minh rằng việc đưa con thoi như vậy qua một giao lộ là có thể mà không làm nóng đáng kể ion (thay đổi trạng thái chuyển động của nó).

Với các giao điểm như vậy, bẫy ion có thể mở rộng.

Bạn có thể muốn xem Schaetz et al, Báo cáo về tiến trình vật lý năm 2012 " Mô phỏng lượng tử thực nghiệm của vật lý nhiều cơ thể với các ion bị bẫy " ( liên kết thay thế trong ngữ nghĩa học ). Tóm lại: có, sự sắp xếp của các ion là một giới hạn chính đối với khả năng mở rộng, nhưng không, cấu hình hiện không bị giới hạn trong một dòng nguyên tử . Trên tờ giấy đó, kiểm tra Hình 3 để xem hình ảnh huỳnh quang thử nghiệm của các ion làm mát bằng laser trong tiềm năng giới hạn chung của bẫy RF tuyến tính, bao gồm một ion đơn, một dòng đơn, chuỗi zig-zag và cấu trúc ba chiều.

Từ Hình 3 trong bài báo trên của Schaetz và cộng sự: " Sự chuyển pha pha cấu trúc có thể được tạo ra giữa các tinh thể một, hai và ba chiều, ví dụ bằng cách giảm tỷ lệ giữa các tần số bẫy hướng tâm. " Tôi chắc chắn gần đây hơn tài liệu đánh giá nên tồn tại, nhưng đây là cái đầu tiên tôi thấy là thỏa đáng. Phải thừa nhận rằng các kết quả hiện tại liên quan nhiều đến mô phỏng trực tiếp hơn là tính toán phổ quát, ví dụ từ hình 13 trong cùng một bài báo: " Thay đổi các tham số thí nghiệm không đáng tin cậy trong quá trình chuyển pha cấu trúc từ chuỗi ion tuyến tính sang cấu trúc ngoằn ngoèo, theo thứ tự trong tinh thể vỡ ra trong các miền, được đóng khung bởi các khuyết tật được bảo vệ theo cấu trúc liên kết phù hợp để mô phỏng các soliton. "

Cùng chủ đề, và cũng từ năm 2012, một bài báo khác đáng để kiểm tra sẽ là các tương tác Ising hai chiều được thiết kế trong một trình mô phỏng lượng tử ion bị bẫy với hàng trăm spin (phiên bản arXiv) ( Phiên bản tự nhiên . Bạn có hình ảnh thử nghiệm như Hình 1 ; đó là bẫy Penning trong trường hợp này chứ không phải bẫy Paul. Thật vậy, nó không phải là điện toán lượng tử phổ quát mà là ứng dụng chuyên biệt của mô phỏng lượng tử, nhưng vẫn không thể phủ nhận tiến trình thử nghiệm đối với việc giữ các ion trong bẫy 2 chiều và do đó tiến tới khả năng mở rộng.

Bản thân tôi không phải là chuyên gia về bẫy, nhưng đây là những gì tôi có được về khả năng mở rộng trong một hội nghị gần đây (2017):

• Các nhà thực nghiệm chơi xung quanh với các tiềm năng và đạt được sự kết hợp thú vị, với các khu vực trung tâm là bán tinh thể (chuỗi, thang, ruy băng, v.v.) và các mẹo kỳ lạ (ví dụ như ruy băng hoặc thang hoàn thành trong một nguyên tử).
• $s^1$$^+$$^+$$^{14}$$^2$
• Rung động tập thể được sử dụng như là cơ sở của giao tiếp giữa các câu hỏi. Như ở điểm trước, chế độ thở ổn định duy nhất và do đó thuận tiện để sử dụng, nhưng các rung động khác cũng có thể truy cập được và sẽ cho phép các sơ đồ liên lạc giữa các câu hỏi thú vị hơn.

Mặc dù tôi không phải là nhà thực nghiệm và chưa nghiên cứu các hệ thống này ở bất kỳ chiều sâu lớn nào, nhưng sự hiểu biết (thô thiển) của tôi là như sau:

Trong bẫy ion, bạn (ít nhiều) phải bẫy các ion thành dòng. Tuy nhiên, đây không phải là một hạn chế về mặt dễ dàng giao tiếp vì những gì bạn có thể nghĩ đến là khi một hệ thống tuyến tính có tương tác láng giềng gần nhất, nghĩa là mỗi qubit chỉ có thể tương tác với các nước láng giềng trực tiếp. Trong bẫy ion, điều này không thực sự đúng vì bạn có thể truy cập chế độ rung chung của tất cả các ion để làm cho các cặp tùy ý tương tác trực tiếp. Vì vậy, thực sự, điều đó thực sự tốt.

Vấn đề là số lượng qubit mà bạn có thể lưu trữ. Càng đặt nhiều nguyên tử vào bẫy, mức năng lượng của chúng càng gần nhau và chúng càng trở nên khó xử lý hơn để kiểm soát chúng và thực hiện các cổng. Điều này có xu hướng giới hạn số lượng qubit bạn có trong một khu vực bẫy. Để giải quyết vấn đề này (và có thêm phần thưởng song song, cần thiết cho việc sửa lỗi), mọi người muốn làm cho nhiều vùng bẫy khác nhau tương tác, với qubit bay hoặc bằng cách xáo trộn các nguyên tử giữa các vùng bẫy khác nhau. Cách tiếp cận thứ hai này dường như là rất nhiều trong tiến trình. Đây là đề xuất lý thuyết, nhưng tôi chắc chắn đã thấy các bài báo đã chứng minh các thành phần cơ bản .