Những loại ion nào mà bẫy máy tính lượng tử ion sử dụng?

Máy tính lượng tử ion bị bẫy là một trong những phương pháp hứa hẹn nhất để đạt được tính toán lượng tử quy mô lớn. Ý tưởng chung là mã hóa các qubit vào trạng thái điện tử của mỗi ion, sau đó điều khiển các ion thông qua lực điện từ.

Trong bối cảnh này, tôi thường thấy rằng việc thực hiện các hệ thống ion bị bẫy sử dụng ${}^{40}\!\operatorname{Ca}^+$ ion Ca + (xem ví dụ1803.10238). Luôn luôn là trường hợp này sao? Nếu không, những loại ion nào khác hoặc có thể được sử dụng để xây dựng các loại hệ thống ion bị bẫy này? Các đặc điểm chính mà các ion phải được sử dụng thuận tiện để xây dựng các thiết bị ion bị bẫy là gì?

$\require{\mhchem}$

Gần như có quá nhiều loài ion được liệt kê đã được sử dụng trong điện toán lượng tử dựa trên bẫy ion hoặc các thí nghiệm liên quan. Sự lựa chọn thông thường là một lựa chọn, khi bị ion hóa đơn lẻ, giống như hydro có hậu quả thuận tiện cho quang phổ laser của chúng: Sau đó, một loại mạnh, thường là$20$Chuyển đổi rộng MHz nằm ở đầu UV hoặc màu xanh lam của phổ có thể truy cập bằng laser (chứ không phải trong UV chân không như đối với các ion cần cao hơn ion hóa đơn lẻ để trở thành giống như hydro). Ngoài ra, phổ vẫn còn tương đối đơn giản (nếu nó giống như hydro) có nghĩa là có một số lượng hạn chế các trạng thái khác có thể cần laser của riêng chúng như một laser repumper. Có thể thuận lợi khi có một trạng thái siêu ổn định quang học cần laser repumper vì nó có thể được sử dụng trong các phép đo và chuẩn bị trạng thái (hoặc, không điển hình, để biểu thị một trạng thái qubit).

Cuối cùng, bạn thường (nhưng không phải luôn luôn) muốn một ion có cấu trúc hyperfine bởi vì điều đó cho phép bạn sử dụng các trạng thái hyperfine chỉ với một vài khoảng cách năng lượng như trạng thái qubit. Các trạng thái này là thuận lợi vì chúng có thời gian phân rã kéo dài hàng thế kỷ, có nghĩa là bạn thực tế không có sự trang trí đơn giản từ sự phân rã tự phát của chúng (nhưng bạn có sự trang trí từ trường, tuy nhiên, các trạng thái được chọn tốt, tuy nhiên, không có tuyến tính và chỉ là một bậc hai sự phụ thuộc).$\mathrm{GHz}$

Cũng thuận tiện khi có ion khối lượng thấp vì cho phép bạn chế tạo bẫy ion với tần số chuyển động cao hơn (ion bị giới hạn mạnh hơn nếu tỷ lệ giữa khối lượng của nó cao). Tần số chuyển động cao ngụ ý làm nóng ít hơn (dị thường) bên trong bẫy ion và khả năng tốc độ cổng bit nhanh hơn .$2$

Một trong những loại ion phổ biến nhất là vì bạn có tất cả các tia laser cần thiết trong vùng quang phổ (IR và có thể nhìn thấy), nơi bạn có thể chế tạo chúng với độ đơn giản tương đối và có độ ổn định meta thuận tiện trạng thái có chiều rộng khoảng (và chiều rộng khoảng không liên quan) và nó có cấu trúc siêu đặc biệt đơn giản do độ xoáy hạt nhân của nó là . gần như là tốt: Nếu bạn có thể sống mà không có cấu trúc siêu phẳng, có các yêu cầu laser đơn giản không kém và khối lượng tương đối thấp trong khi điều chỉnh laser của bạn cho$\ce{^{171}Yb^+}$$1\ \mathrm{Hz}$$1\ \mathrm{nHz}$$1/2$$\ce{Ca^+}$$\ce{^{40}Ca^+}$$\ce{^{43}Ca^+}$bạn có được cấu trúc hyperfine với chi phí khá phức tạp do vòng quay hạt nhân . Một số nhóm theo đuổi , điều này thật tuyệt vì rất nhẹ và chỉ cần các tia laser ở cùng một bước sóng, mặc dù khó khăn ( ). Nhiều ion khác đã được sử dụng thử nghiệm, bao gồm , và mô tả tốt về các tính chất quan trọng có thể được tìm thấy trong "Bảng tuần hoàn ion" của Chris Monroe .$7/2$$\ce{^9Be^+}$$313\ \mathrm{nm}$$\ce{Sr^+}$$\require{\mhchem}\ce{Hg^+}$