Учитывая сколько в современном мире источников получения информации, неудивительно, что определенные термины и понятия пассивно оседают в нашем мозге без каких-либо дополнительных объяснений. Подобная ситуация складывается и с квантовыми компьютерами (КК). Много кто знает об их существовании, но полноценно описать принцип их работы могут лишь единицы. И даже будет сложно это сделать, так как квантовые технологии еще далеки от своей финальной стадии развития. Одной из проблем, которую нужно преодолеть для получения полноценного квантового компьютера, является масштабируемость. Особенно это касается КК, основанных на захваченных ионах, где квантовые устройства с зарядовой связью используются для масштабирования количества кубитов на одном устройстве. Проблема в том, что число ионов на одном модуле ограничено размером используемого чипа. Решением этой проблемы занялись ученые из университета Сассекса (Великобритания). Они разработали метод передачи ионных кубитов между модулями квантового компьютера. Скорость такой передачи оказалась рекордно высокой. Как им это удалось, и что для этого потребовалось? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Системы, использующие захваченные ионы, являются фундаментально важными элементами для разработки КК и квантовых симуляторов. Кодирование кубитов во внутренних электронных состояниях захваченных ионов обеспечивает высочайшую точность квантования и самое длительное время когерентности по сравнению с другими методами.

На данный момент уже существуют малые КК на захваченных ионах, содержащие до 10 кубитов. В этом масштабе квантовая логика может быть реализована с использованием одного линейного ионного кристалла в качестве регистра*. Многокубитные операции опосредованы кулоновским взаимодействием внутри кристалла. Однако по мере увеличения размера кристалла ограничения на плотность движущихся мод затрудняют масштабирование одного регистра до большего числа кубитов.

Квантовый регистр* — система из нескольких кубитов, размер которой соответствует числу кубитов в квантовом компьютере.

Одной из архитектур, которая позволяет использовать в своей конструкции несколько регистров, является устройство с квантовой зарядовой связью (QCCD от quantum charge-coupled device), которое состоит из массива сегментированных электродов. Зонам внутри одного устройства могут быть назначены определенные функции, такие как квантовая обработка информации, память и считывание.

В этой конфигурации общий РЧ-псевдопотенциал*, обеспечиваемый одной парой РЧ-электродов (РЧ от радиочастотный), обеспечивает необходимое радиальное удержание, в то время как удержание в осевом направлении создается квазистатическими потенциалами, прикладываемыми к остальным сегментированным электродам.

Псевдопотенциал* — эффективный потенциал, действующий на электроны проводимости в металлах со стороны ионов.

Это позволяет небольшим регистрам взаимодействовать друг с другом через мобильные ионы.

Для обработки квантовой информации с использованием архитектуры захваченных ионов на основе челночного перемещения необходимо учитывать два источника неточности (неверности)*.

Верность (точность)* — в квантовой механике, особенно в квантовой теории информации, мера «близости» двух квантовых состояний. Данная мера выражает вероятность того, что одно состояние пройдет проверку и будет идентифицироваться как другое.

Первым источником неверности является распад квантового состояния во время операции переноса ионов. Второй возможный источник неверности связан с потерей ионов при транспортировке.

Глобальная проблема квантовых вычислений заключается в том, что для раскрытия потенциала КК требуется гораздо больше количество кубитов, чем мы имеем в современных квантовых устройствах. К примеру, моделирование молекулы FeMoco (FeMo кофактор) может привести к лучшему пониманию фиксации азота для производства аммиака в удобрениях, но для моделирования ее основного состояния потребуется более 10⁶ кубитов. Однако включение такого большого количества кубитов в одну QCCD не представляется возможным, учитывая ограничения размера одного устройства. Потому оптимальным на данный момент решением является именно система из нескольких модулей, соединенных между собой. При этом скорость передачи между модулями должна быть на несколько порядков выше, чем время декогерентизации кубита.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые продемонстрировали передачу захваченных ионов между двумя квантовыми вычислительными модулями со скоростью передачи 2424 ионов в секунду на расстояние 684 мкм и с погрешностью менее 7 × 10^-8. При этом не было зафиксировано значимой потери когерентности кубита.

Результаты исследования

Экспериментальная установка

Изображение №1: схема соединения двух модулей (модуль A и модуль B) для создания модульной КК ионной ловушки.

Задача подключить два независимых КК модуля была решена с помощью двух линейных ловушек Пауля с поверхностными электродами. Оба модуля микрочипа с ионной ловушкой были изготовлены на кремниевой подложке. Их электродные структуры доходят до самого края межмодульного зазора. А вот подложка отступает на ~ 75 мкм от зазора для облегчения выравнивания модулей. Когда модули выровнены, такая конфигурация электродов позволяет ограничивающему потенциалу распространяться на межмодульный зазор, создавая интерфейс электрического поля между двумя модулями.


Изображение №2: схема небольшой секции модульной версии QCCD.

Один из модулей ионной ловушки (Алиса; слева на изображении №3) был неподвижно прикреплен к вакуумной камере через радиатор, циркулирующий криогенный газообразный гелий, так что ловушка работала при температуре 36-42 К.

Второй модуль ионной ловушки (Боб; справа на изображении №3) охлаждался через гибкую медную оплетку, образующую тепловую связь между двумя модулями. Боб был установлен внутри вакуума на трехосевом пьезоэлементе.


Изображение №3: модули с ионной ловушкой.

При рассмотрении множества QCCD модулей с ионной ловушкой, объединенных в крупномасштабную архитектуру, необходимо учесть, что под каждым модулем потребуется установить небольшие XYZ пьезоактуаторы, совместимые со сверхвысоким вакуумом и криогенными средами. Они могут быть сконструированы из комбинации компактных сдвиговых пьезоприводов, обеспечивающих достаточный диапазон хода для компенсации дрейфа модуля, который может возникнуть из-за изменений температуры, при сохранении высокой точности выравнивания модуля.

Ученые отмечают, что из-за малого числа модулей в их эксперименте (всего лишь 2) не было смысла использовать пьезоприводы. Вместо этого была использована специальная платформа с высокой точностью позиционирования (5 нм) и большим диапазоном перемещения (600 мкм). Для достижения высокой точности позиционирования модулей необходима точная система визуализации. Для этого использовалась система линз с увеличением ×13 в сочетании с камерой sCMOS.

В результате расстояние между Алисой и Бобом по каждой оси составило: Δx = 10(1) мкм, Δy=0(1) мкм и Δz=0(3) мкм. Из результатов моделирования следует, что смещение по всем трем осям на ≤ 10 мкм должно привести к ВЧ-барьеру ≤ 0.2 мэВ для глубины ловушки ~100 мэВ и высоты иона 100 мкм. Барьер такой величины не мешает достижению высокоточного переноса ионов.

И Алиса, и Боб управлялись независимыми радиочастотными цепями, которые были откалиброваны для управления обоими модулями с одинаковой частотой, амплитудой и фазой. ВЧ-напряжения прикладывались с амплитудой V₀ = 101.75 В и частотой Ω_RF/2π = 19.32 МГц, что при моделировании дает глубину ловушки 53.9 мэВ.

В данном труде использовались ¹⁷⁴Yb⁺ и ¹⁷¹Yb⁺. Кубит, хранящийся в ¹⁷¹Yb⁺, использовался для измерения эффектов механизмов декогеренции, в то время как ¹⁷⁴Yb⁺ использовался для измерения неточности, связанной с потерей ионов во время переноса.

Для инициализации системы на Алисе происходила изотопно-селективная загрузка в зоне загрузки (3b). После загрузки ионы перемещаются из зоны загрузки (Loading Zone) в зону 1 (Zone 1) на расстояние 1840 мкм, что является отправной точкой всех последующих экспериментов.

Передача ионов между модулями

Транспорт ионов между модулями был реализован путем изменения напряжения, подаваемого на 4 пары электродов, ближайших к межмодульному зазору, как на Алисе, так и на Бобе (1–8 на 3b). Последовательные обновления напряжения, отправляемые на каждый электрод, реализуют перенос потенциальной ямы* на ион.

Потенциальная яма* — область пространства, где присутствует локальный минимум потенциальной энергии частицы.

Каждый перенос ионов (зона 1 → зона 2 или из зона 2 → зона 1) составлял один канал переноса между модулями. Зоны 1 (2) были выбраны в качестве начальной или конечной точки звена, так как ион можно было удерживать независимо от Алисы (Боба), не требуя потенциалов от соседнего модуля. Расстояние между зоной 1 и зоной 2 составляло 684 мкм.

Оценка успешности переноса осуществлялась с помощью визуализации флуоресценции рассеянных ионов в зоне 1 и в зоне 2 до и после переноса ионов. После этого лазеры и детектирующая оптика были перемещены для обнаружения ионной флуоресценции в зоне 1.

Неточность, связанная с потерей ионов во время межмодульной транспортировки, измерялась путем транспортировки одного иона ¹⁷⁴Yb⁺ между зоной 1 и зоной 2. После каждого набора из 2 х 10⁵ соединений присутствие иона проверялось по флуоресценции с помощью фотоэлектронного умножителя (PMT от photomultiplier tube). При длительности одиночного соединения 412.5 мкс при эквивалентной скорости соединения 2424 в секунду было успешно выполнено 15 × 10⁶ последовательных соединений.

Впоследствии ион был потерян после выполнения большего числа транспортных операций в следующем наборе, тем самым устанавливая верхний предел в 7 × 10^-8 для неточности, связанной с потерей иона во время транспортировки. Ион проходил 10.26 км при средней скорости переноса в 1.66 м/с.

Сохранение когерентности кубитов

Чтобы показать, что когерентность кубита может поддерживаться на протяжении всего канала переноса, ученые исследовали влияние межмодульного транспорта на состояние кубита.


Изображение №4: интерферометрия Рамсея.

Кубит формировался из двух сверхтонких уровней ¹⁷¹Yb⁺ в многообразии S1/2: |0〉 ≡ |F=0, m_f=0〉, |1〉 ≡ |F=1, m_f=0〉. Два состояния были разделены частотой 12,642,812,118+311B² Гц, где B — магнитное поле в Гауссах. Окружающее магнитное поле кубита составляло 10.177(1) Гс, измеренное при переходе от |F=0, m_f=0〉 к |F=1, m_f=0〉.

Нечувствительность кубита к магнитному полю первого порядка (по сравнению с состояниями |F=1, m_f= ±1〉) повышала его устойчивость к декогеренции из-за флуктуаций окружающего магнитного поля.

Следовательно, флуктуации магнитного поля приводят к сдвигу частоты до ±6 Гц в масштабах времени, превышающих время, необходимое для измерения одной полосы, на что указывает практически унитарный контраст полос в измерениях на 4а.

Далее был проведен эксперимент для проверки когерентности кубита путем измерения времени Т*₂. Этот эксперимент выполнялся путем оптической накачки иона сначала в состояние |0〉, а затем применения двух π/2 импульсов Рамсея, разделенных временем задержки τ. Затем путем обнаружения флуоресценции, зависящей от состояния, определялась вероятность того, что кубит находится в состоянии |1〉. Затем эксперимент повторялся с межмодульными транспортными операциями, происходящими в течение времени задержки τ.

На 4а показан пример стационарного эксперимента в сравнении с результатами при использовании 2 и 100 каналов в пределах времени задержки. Результаты экспериментов показали, что во время межмодульной транспортировки кубитов в течение τ = 100 мс не наблюдается потери когерентности кубитов.

Далее было решено увеличить время τ до 500 мс, чтобы убедиться в том, что когерентность кубитов сохраняется во время операций переноса между модулями (4b). Данный опыт также не показал потерь когерентности.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Метод, продемонстрированный учеными в данном труде, показывает, что межмодульная передача ионов является вполне успешным вариантом реализации интерфейсов модулей квантовых компьютеров.

В ходе исследования была реализована система из двух модулей ионных ловушек с поверхностными электродами, которые были соединены с использованием операций переноса ионов. Это позволило реализовать быструю, детерминированную и высокоточную квантовую связь.

Использование этого метода позволяет расширить архитектуру QCCD от одного до нескольких модулей, что положительно скажется на масштабируемости этих устройств. На данный момент проблема заключается в том, что число используемых кубитов сильно ограничено размерами чипа. Использование межмодульного соединения для передачи ионов позволит обойти эту проблему.

Подобного рода исследования крайне важны для полноценной реализации работающих квантовых компьютеров, которые можно будет применять для проведения самых сложных вычислительных операций.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?