Escalabilidade de computadores quânticos de armadilha de íons

Meu entendimento é que os campos magnéticos necessários para manter os íons no lugar em computadores quânticos de armadilha de íons são muito complexos e, por esse motivo, atualmente, apenas computadores 1-D são possíveis, reduzindo assim a facilidade de comunicação entre qubits. Parece haver uma proposição para um sistema 2D usando uma armadilha de Paul nesta pré-impressão, mas não consigo descobrir se isso foi realmente testado.

A escalabilidade dos computadores quânticos da armadilha de íons depende apenas disso (se os íons podem ou não ser arranjados em configurações diferentes de uma linha reta) ou se há outros fatores envolvidos? Se o primeiro, que progresso foi feito? Se este último, quais são os outros fatores?

Os computadores quânticos com armadilha de íons mantêm íons no espaço vazio usando campos elétricos e não magnéticos. Isso é impossível usando campos estáticos ( teorema de Earnshaw ), portanto, um campo alternativo é usado. O efeito é que partículas carregadas, como íons, buscam um mínimo de campo; esse tipo de armadilha de íons também é chamado de armadilha quadrupolo porque o campo mais simples (de ordem mais baixa) com um mínimo de espaço é um campo quadrupolo. É simples organizar campos que confinam íons a um ponto ou a um computador quântico de linha e armadilha de íons usando o último. No entanto, isso não escala porque os cálculos envolvem modos de movimento dos íons que se tornam mais difíceis de distinguir quando há mais íons.

Existem duas abordagens para tornar essa abordagem escalonável: junte cadeias de íons usando luz (fótons) ou transferindo íons de uma para outra, como uma seção linear de armadilha de íons. O uso de fótons é particularmente difícil e longe de ser praticável atualmente para um computador quântico que atenda a um limite de correção de erros, então vamos nos concentrar em íons de deslocamento.

Armadilhas quadrupolo matematicamente verdadeiras não podem ser construídas para ter interseções, mas isso não impediu os físicos de fazê-las de qualquer maneira. O truque é que, embora não seja possível organizar um campo quadrupolo no centro do cruzamento, ainda é possível ter um confinamento. E dirigindo levemente os íons para o campo confinado (alternado) usando um campo estático, é possível obter um confinamento suficientemente forte. Foi até demonstrado que tal deslocamento através de uma interseção é possível sem aquecer significativamente o íon (alterando seu estado de movimento).

Com essas interseções, as armadilhas de íons são escalonáveis.

Você pode verificar este artigo de Schaetz et al., Reports on Progress in Physics of 2012 " Simulações quânticas experimentais da física de muitos corpos com íons presos " ( link alternativo no semântico escolar ). Em resumo: sim, o arranjo dos íons é uma limitação chave à escalabilidade, mas não, as configurações não estão atualmente limitadas a uma única linha de átomos . Nesse artigo, verifique na Figura 3 as imagens experimentais de fluorescência de íons resfriados a laser em um potencial de confinamento comum de uma armadilha de RF linear, incluindo um único íon, uma única linha, uma cadeia em zig-zag e uma construção tridimensional.

Da Figura 3 no artigo acima, de Schaetz et al: " As transições de fase estruturais podem ser induzidas entre cristais uni, bidimensionais e tridimensionais, por exemplo, reduzindo a proporção de frequências de interceptação radial para axial " . os documentos de revisão deveriam existir, mas este foi o primeiro que achei satisfatório. É certo que os resultados atuais são mais sobre simulação direta do que sobre computação universal, por exemplo, da figura 13 do mesmo artigo: " Alterando os parâmetros experimentais de maneira não adiabática durante uma transição de fase estrutural de uma cadeia linear de íons para uma estrutura em zigue-zague, a ordem dentro o cristal se divide em domínios, emoldurados por defeitos topologicamente protegidos, adequados para simular solitons " .

No mesmo tópico, e também a partir de 2012, outro artigo que vale a pena conferir seria as interações bidimensionais projetadas de Ising em um simulador quântico de íons presos com centenas de rotações (versão arXiv) ( versão Nature . Você tem a imagem experimental como Figura 1 ; é uma armadilha de Penning, neste caso, e não uma armadilha de Paul. Na verdade, não é uma computação quântica universal, mas sim a aplicação especializada de simulação quântica, mas ainda é inegavelmente um progresso experimental para manter os íons no lugar em uma armadilha 2D. e, assim, avançando em direção à escalabilidade.

Eu mesmo não sou especialista em armadilhas, mas é isso que obtive na escalabilidade em uma conferência recente (2017):

• Os experimentalistas brincam com os potenciais e alcançam combinações interessantes, com zonas centrais que são quase cristalinas (correntes, escadas, fitas etc.) e dicas exóticas (por exemplo, fitas ou escadas que terminam em um único átomo).
• $s^1$$^+$$^+$$^{14}$$^2$
• As vibrações coletivas são usadas como base da comunicação interqubit. Como no ponto anterior, o modo de respiração é excepcionalmente estável e, portanto, conveniente de usar, mas outras vibrações também são acessíveis e permitiriam esquemas de comunicação interqubit mais interessantes.

Embora eu não seja experimentalista e não tenha estudado esses sistemas em grande profundidade, meu entendimento (bruto) é o seguinte:

Nas armadilhas de íons, você (mais ou menos) precisa prender os íons nas linhas. No entanto, isso não é uma limitação em termos de facilidade de comunicação, porque o que você provavelmente está pensando é quando um sistema linear tem interações com vizinhos mais próximos, ou seja, cada qubit pode interagir apenas com seus vizinhos imediatos. Nas armadilhas de íons, isso não é realmente verdade porque você pode acessar um modo de vibração comum de todos os íons para fazer com que pares arbitrários interajam diretamente. Então, na verdade, isso é muito bom.

O problema é esse número de qubits que você pode armazenar. Quanto mais átomos você colocar na armadilha, mais próximos estarão os níveis de energia e mais difíceis se tornarão para abordar individualmente, a fim de controlá-los e implementar portões. Isso tende a limitar o número de qubits que você possui em uma única área de captura. Para contornar isso (e com o bônus adicional de paralelismo, necessário para a correção de erros), as pessoas querem fazer com que várias regiões distintas de interceptação interajam, com qubits voadores ou transferindo os átomos entre diferentes regiões de interceptação. Essa segunda abordagem parece estar muito em andamento. Esta é a proposta da teoria, mas certamente vi artigos que demonstraram os componentes básicos .