Ионный дуэт NIST, описанный в выпуске журнала Nature от 7 августа, представляет собой компонент гибкого квантового симулятора, который можно увеличивать в размерах и настраивать для моделирования квантовых систем со сложностью, превосходящей традиционные компьютерные симуляции. Помимо моделирования, дуэт может также использоваться для выполнения логических операций в будущих квантовых компьютерах или в качестве высокоточного измерительного инструмента с квантовым повышением.В экспериментах исследователи переводили два иона бериллия, расположенные в отдельных зонах ловушки электрического поля (накопителя), в «запутанное» состояние. Важный ресурс для квантовых технологий, запутанность включает в себя тесную связь между частицами, так что измерение одной определяет состояние другой.
Это первый случай, когда ионы в отдельных зонах были запутаны, манипулируя их электрическими взаимодействиями, что является важной функцией, которую можно использовать в квантовом моделировании и вычислениях.Работа демонстрирует высокий уровень квантового контроля с помощью технологии микроизготовленных ловушек, хорошо подходящей для масштабирования, необходимого для создания мощных процессоров квантовой информации.
Наличие отдельных зон захвата позволило исследовательской группе настроить взаимодействие ионов от слабого к сильному — функция, которая, как ожидается, будет полезна для моделирования поведения сложных квантовых материалов.«Даже если ионы удерживаются отдельно друг от друга, теперь мы можем их запутать», — говорит физик NIST Эндрю Уилсон. «Мы планируем использовать это для квантового моделирования и вычислений, но когда я объясняю своей семье, что мы делаем, удаленная запутанность звучит немного романтично».
«Мы сосредоточены на идее, что все должно быть масштабируемым», — отмечает Уилсон. «Чтобы провести полезное моделирование, нам понадобятся универсальные ловушки с более чем двумя ионами, и создание ловушек с использованием той же технологии, которая используется для изготовления компьютерных чипов, дает нам эту возможность. NIST впервые применил этот подход, и нам повезло, что у нас есть отличные возможности для этого. своего рода работа ".Вынуждая ионы выполнять ряд замысловатых квантовых танцев, исследователи сначала уговорили ионы обменяться одним квантом колебательной энергии (наименьшее количество, которое позволяет природа). Затем они использовали лазеры и микроволны, чтобы запутать «спины» ионов.
Подобно крошечным стержневым магнитам, спины запутанных ионов указывали в одном направлении, но также находились в «суперпозиции», указывая одновременно в противоположном направлении. Суперпозиция — еще одна странная, но полезная особенность квантового мира.Исследователи говорят, что расширения нового модуля для создания двумерной сети из нескольких десятков ионов будет достаточно для выполнения полезного моделирования явлений, которые чрезвычайно сложно смоделировать даже на самых мощных традиционных компьютерах. Примером может служить высокотемпературная сверхпроводимость — поток электронов без сопротивления, наблюдаемый в некоторых керамических изделиях.
Несмотря на более чем 20-летние исследования, основной механизм остается загадкой. Квантовый симулятор может дать более глубокое понимание.
Ионный дуэт также можно использовать для выполнения логических операций в квантовых компьютерах, которые будут иметь более широкий спектр приложений, чем квантовые симуляторы. Исследователи NIST также рассматривают ионный дуэт как датчик, в котором один хорошо контролируемый ион используется для исследования второго иона с интересными характеристиками. Например, ион бериллия может быть использован для зондирования заряженной частицы антиматерии в другой зоне ловушки, говорит Уилсон.
Это исследование финансировалось Управлением директора национальной разведки, Управлением перспективных исследовательских проектов разведки и Управлением военно-морских исследований.