Mid-circuit ground-state cooling and ancilla readout in the $\textit{omg}$ architecture

Stel je een wereld voor waarin kleine, geladen deeltjes genaamd ionen gevangen zitten in een vacuüm, zwevend door onzichtbare magnetische en elektrische velden zoals knikkers in een kom. Dit zijn niet zomaar knikkers; dit zijn de bouwstenen van de toekomstige quantumcomputers, in staat om problemen op te lossen waar de huidige supercomputers duizenden jaren over zouden doen. Maar er is een addertje onder het gras: deze quantumknikkers zijn ongelooflijk gevoelig. Als ze te warm of te onrustig worden, raakt hun delicate informatie in de war en crasht de computer. Om dit op te lossen, gebruiken wetenschappers een techniek genaamd "sympatische koeling", wat lijkt op het hebben van een vriend die heel goed is in kalm blijven. Je schudt de kamer (de computer) en je onrustige vriend grijpt de kalme vriend vast, die alle trillingen absorbeert en de kamer laat tot rust komen. Het probleem is dat de "kalme vriend" meestal een totaal ander type knikker moet zijn om dit te doen zonder in de war te raken. Dit artikel onderzoekt een slimme nieuwe truc waarbij de kalme vriend en de onrustige vriend eigenlijk hetzelfde type knikker zijn, ze dragen alleen een andere "hoed" (energietoestand), waardoor ze samen kunnen werken zonder extra, ingewikkelde hardware nodig te hebben.

De onderzoekers aan de University of Oregon hebben een doorbraak gedemonstreerd in deze "één-soort" opstelling, die zij de "omg" (optical-metastable-ground) architectuur noemen. In hun experiment slaagden zij erin om de beweging van een paar gevangen calciumionen te koelen tot bijna absolute stilstand (de motionele grondtoestand) zonder de informatie die in één van hen is opgeslagen te verstoren. Ze bereikten dit door een "grondtoestand"-ion te gebruiken als helper om een "metastabiel" ion te koelen, dat de eigenlijke data bevat. Denk aan een danspartner die alle onhandige stappen absorbeert, zodat de leidende danser zijn perfecte routine kan voortzetten. Ze bewezen dat dit koelproces, dat het gebruik van specifieke lasers om energie te verwijderen inhoudt, de delicate quantuminformatie die in het metastabiele ion is opgeslagen niet beschadigt. Bovendien lieten ze zien dat ze de toestand van het data-dragende ion kunnen aflezen door naar het helper-ion te kijken, een proces dat non-destructieve uitlezing wordt genoemd. Dit is cruciaiment omdat je bij quantumfoutcorrectie moet controleren of een berekening fout is gegaan zonder er daadwerkelijk naar te kijken (en daarmee de berekening zelf te vernietigen).

Het team ontdekte dat ze de ionen konden koelen tot een gemiddeld bewegingsniveau van slechts 0,02(1) quanta, wat ongelooflijk dicht bij perfect stilstaand is. Ze bereikten dit met een methode genaamd "meting-gebaseerde koeling", waarbij ze herhaaldelijk controleren of het helper-ion beweegt en, als dat het geval is, het terug naar een kalme toestand duwen. Dit proces is als een spelletje "heet kaki" waarbij het helper-ion de hitte steeds wegwerpt totdat het koel genoeg is om het data-ion stabiel te houden. Ze bevestigden dat dit proces de "coherentie" (het vermogen om in een superpositie van toestanden te blijven) van het data-ion gedurende een lange tijd behoudt, met een beschermde subruimte van ongeveer 0,22 seconden, wat veel langer is dan de tijd die de koeling kost.

Echter, het paper sluit ook enkele andere ideeën uit. Ze toonden expliciet aan dat het gebruik van een specif kind van laserkoeling dat "quenching" (het dwingen van het ion om tussen energieniveaus te springen) inhoudt, een slecht idee is voor deze opstelling, omdat het te veel ruis veroorzaakt en het data-ion verstoort. Hun experimenten bewezen dat deze "quench"-methode onverenigbaar is met het veilig houden van de data. In plaats daarvan is hun nieuwe methode, die de luidruchtige quench vermijdt, degene die werkt. Hoewel ze indrukwekkende resultaten behaalden, zijn ze eerlijk over de beperkingen: hun systeem wordt momenteel tegengehouden door technische ruis, specifiek "servo bumps" in hun laser en fluctuaties in het magnetisch veld. Ze suggereren dat als deze technische foutjes zouden worden opgelost, ze potentieel een koelingsefficiëntie van 99,9% zouden kunnen bereiken, waardoor deze methode concurrerend zou zijn met de meest geavanceerde koeltechnieken die momenteel beschikbaar zijn.

Uiteindelijk suggereert dit werk dat we niet twee verschillende soorten ionen nodig hebben om een robuuste quantumcomputer te bouwen; we kunnen slechts één soort gebruiken, die slim is gekleed in verschillende energietoestanden. Dit opent de deur naar eenvoudigere, efficiëntere quantumprocessors die foutcorrectie en lange berekeningen kunnen uitvoeren zonder de zware hardware-overhead van eerdere ontwerpen. De onderzoekers maten deze resultaten direct in hun lab, waarmee ze lieten zien dat de "omg"-architectuur een levensvatbaar en veelbelovend pad is voor de toekomst van quantumcomputing.