진동하는 전자기장 대신 정자기장과 전기장으로 이온을 포획하면 이온을 양자 컴퓨터의 빌딩 블록으로 사용하는 것이 더 쉬워질 수 있습니다. 연구진이 개발한 새로운 접근 방식 ETH 취리히 스위스에서는 이온의 양자 상태와 위치를 더 잘 제어할 수 있으며, 갇힌 이온을 양자 계산을 위한 플랫폼으로 확장하는 중요한 단계를 표시합니다.
양자 컴퓨터는 특정 문제에서 기존 컴퓨터보다 성능이 뛰어납니다. 그러나 잠재력을 최대한 실현하려면 약 1만 개의 양자 비트(큐비트)를 조작할 수 있는 기계가 필요합니다. 이는 오늘날의 가장 큰 양자 프로세서보다 훨씬 더 큰 규모이며, 큐비트의 수가 증가함에 따라 생산 및 제어가 더 어려워지기 때문에 확장이 어렵습니다.
예를 들어, 이온 트랩 양자 프로세서에서 큐비트로 사용되는 이온은 일반적으로 무선 주파수(RF)에서 진동하는 전자기장에 의해 제자리에 유지되며, 양자 상태는 레이저 광 펄스로 제어되고 판독됩니다. 이는 최대 30큐비트까지 잘 작동하지만 더 높은 숫자로 확장하는 것은 까다롭습니다. 단일 칩의 작은 공간에서 RF 장을 결합하는 것은 어려운 일이며, 이 장은 또한 트랩을 가열하여 이온의 양자 거동을 방해합니다. 또 다른 문제는 RF 필드의 구조가 트랩 위치를 선형 그리드로 제한한다는 것입니다.
페닝 트랩
ETH 팀은 정밀 분광학 및 양자 시뮬레이션과 같은 응용 분야에서 이온을 가두는 데 전통적으로 사용되는 트랩 유형으로 전환하여 이러한 문제를 해결했습니다. 이러한 소위 페닝 트랩은 RF 필드를 강력한 정자기장으로 대체하여 가열을 제거하고 트랩 구성에 대한 제한을 제거합니다. 그러나 강한 자기장은 나름대로의 어려움을 안겨줍니다. 이들의 존재는 이온의 에너지 상태 사이의 간격을 증가시켜 간단하고 값싼 다이오드 레이저의 빛으로 이러한 상태를 제어하기 어렵게 만듭니다. 이를 생산하는 초전도 자석도 부피가 커서 레이저 빛을 그 주위로 유도해야 합니다.
이러한 문제를 극복하기 위해 ETH 연구진은 3테슬라 초전도 자석 내부에 여러 전극이 있는 미세 가공 칩(독일 하노버 라이프니츠 대학 동료가 제작)을 배치하여 페닝 트랩을 구축했습니다. 거울 시스템은 위상 고정 레이저 빔을 자석을 통해 이온으로 안내하며 전체 설정은 진공 상태에 배치되어 극저온으로 냉각됩니다.
함정이다!
새로운 트랩은 기대에 부응하여 단일 이온을 며칠 동안 가두어 놓고 ETH 연구원이 이온의 이동과 위치를 완전히 제어할 수 있게 했습니다(이미지 참조). 연구팀은 양자컴퓨팅을 위한 설정의 실행 가능성을 테스트하기 위해 이온의 일관성 시간, 즉 양자 상태에 머무르는 시간을 측정하여 이 시간이 양자 연산을 수행하는 데 필요한 시간보다 길다는 것을 보여주었습니다. 그들은 또한 레이저가 양자 중첩을 방해하지 않고 이온의 에너지 상태를 제어할 수 있음을 보여주었습니다. 이 기능을 사용하면 서로 다른 큐비트 간에 얽힌 상태를 생성하여 양자 계산을 수행할 수 있습니다.
새로운 초전도 공동 큐비트로 양자 일관성의 한계를 뛰어넘다
피터 졸러이 프로젝트에 참여하지 않은 오스트리아 인스브루크 대학의 물리학자인 그는 이온 전달이 쉬운 마이크로 페닝 트랩을 "상쾌하고 혁신적인 아이디어"라고 설명했습니다. 그는 갇힌 중성 원자 배열에 사용되는 혁신이 갇힌 이온 구조에 적용되는 것을 보는 것이 좋다고 덧붙였습니다. 그러나 그는 트랩의 능력은 지금까지 단일 이온에 대해서만 보여졌다고 지적합니다. 그는 많은 이온을 사용하여 어떻게 확장하고 성능을 발휘하는지(게이트 충실도의 형태로), 그리고 표면 트랩이나 양자 경마장과 같은 대체 접근 방식과 어떻게 비교하는지 보는 것이 흥미로울 것이라고 말했습니다.
조나단 홈ETH 팀의 리더인 는 더 많은 이온을 추가하는 것이 중요하다는 데 동의합니다. 다음 단계는 그가 말한다. 물리학 세계, "여러 이온을 로드하고 별도의 트랩 사이트에 있는 이온 간에 다중 큐비트 게이트를 수행하는 것을 시도"하는 것입니다.
연구 결과는 자연.
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- 출처: https://physicsworld.com/a/new-ion-trapping-approach-could-help-quantum-computers-scale-up/
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