Ερευνητές από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore (LLNL) και το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) ανέπτυξαν μια νέα, πιο ανθεκτική μέθοδο για τη σύμπλεξη (entanglement) qubits που βασίζονται σε παγιδευμένα ιόντα. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters και προσφέρει σημαντική βελτίωση στις βασικές δομικές μονάδες των ιοντικών κβαντικών υπολογιστών.
Ο μηχανισμός της σύμπλεξης
Τα παγιδευμένα ιόντα συγκρατούνται μέσω ηλεκτρικών πεδίων και αλληλεπιδρούν λόγω των απωστικών δυνάμεων Coulomb, μοιραζόμενα μια κοινή συλλογική κίνηση. Η ερευνητική ομάδα εφάρμοσε ηλεκτρομαγνητικά πεδία ραδιοσυχνοτήτων και μικροκυμάτων για να ασκήσει δυνάμεις εξαρτώμενες από την κβαντική κατάσταση των qubits.
Η ελεγχόμενη αυτή ώθηση προκαλεί μια μετατόπιση φάσης (phase shift), η οποία εξαρτάται από συνδυασμένες καταστάσεις των δύο ιόντων. Με τον ακριβή χρονισμό της εφαρμογής, η κίνηση των ιόντων επιστρέφει στην αρχική της κατάσταση, αφήνοντας τα qubits συνδεδεμένα μέσω κβαντικής σύμπλεξης.
Η πρόκληση του συντονισμού και η κλιμακωτή προσέγγιση
Η βασική καινοτομία της μελέτης επικεντρώνεται στη ρύθμιση της απόκλισης συχνότητας (detuning) μεταξύ της εξωτερικής δύναμης και της φυσικής συχνότητας ταλάντωσης των ιόντων:
- Άμεσος συντονισμός (Resonant driving): Προσφέρει υψηλή ταχύτητα εκτέλεσης πυλών, αλλά είναι εξαιρετικά ευαίσθητος στις θερμικές διαταραχές και τις διακυμάνσεις των ιόντων.
- Μεγάλη απόκλιση (Far-detuned operation): Προσφέρει υψηλή σταθερότητα και ανθεκτικότητα απέναντι στον θόρυβο, αλλά καθυστερεί σημαντικά την ταχύτητα επεξεργασίας.
Για να συνδυάσουν την ταχύτητα με τη σταθερότητα, οι ερευνητές εφάρμοσαν μια τεχνική βαθμιαίας μεταβολής (ramping) τόσο στη συχνότητα απόκλισης όσο και στο πλάτος (amplitude) της ισχύος του πεδίου. Η διαδικασία ξεκινά μακριά από τον συντονισμό, πλησιάζει κατά τη διάρκεια της πύλης για αύξηση της ταχύτητας και απομακρύνεται εκ νέου στο τέλος.
Προοπτικές για την κλιμάκωση των κβαντικών συστημάτων
Η χρήση των κλιμακούμενων πεδίων καθιστά τη διαδικασία σύμπλεξης πιο ανεκτική σε υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας και μειώνει τις απαιτήσεις συχνής βαθμονόμησης (calibration). Τα αποτελέσματα αυτά διευκολύνουν την επέκταση των συστημάτων σε μεγαλύτερο αριθμό qubits.
Η ομάδα σχεδιάζει να εφαρμόσει τη συγκεκριμένη τεχνική σε νέα συστήματα παγίδευσης ιόντων με ενισχυμένη θωράκιση, με στόχο την περαιτέρω ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων.