Structured light for addressable two-qubit gates in medium-sized ion crystals: modeling motional and dephasing errors

In de race om een kwantumcomputer te bouwen, proberen wetenschappers de vreemde regels van de subatomaire wereld te benutten om problemen op te lossen die gewone machines duizenden jaren zouden kosten. Een van de meest veelbelovende instrumenten voor deze taak is de trapped-ion kwantumprocessor, die gebruikmaakt van minuscule, elektrisch geladen atomen die in een vacuüm worden zwevend gehouden door onzichtbare elektrische velden. Deze atomen fungeren als bits van informatie, of qubits, maar om ze bruikbaar te maken, moeten onderzoekers hen dwingen met elkaar te interageren. Deze interactie, bekend als een entangling gate, is de motor van kwantumcomputing, maar het is berucht moeilijk om deze te perfectioneren. Naarmate het aantal atomen in een processor groeit, wordt de taak om hen met elkaar te laten communiceren zonder hun buren te verstoren steeds moeilijker, wat vaak ervoor zorgt dat de delicate kwantuminformatie instort in een fout.

De uitdaging ligt in de manier waarop deze atomen worden aangestuurd. Om twee specifieke atomen te laten interageren, schijnen wetenschappers doorgaans laserstralen op hen. Echter, als de laser te breed is of slecht gericht, vloeit deze over op nabijgelegen atomen die rustig zouden moeten blijven. Deze ongewenste interferentie, crosstalk genoemd, introduceert ruis. Bovendien trillen de atomen constant, en als de laser interageert met het verkeerde type trilling, creëert dit een chaotische omgeving die de berekening ruïneert. Jarenlang bestond er een afweging: lasers vanaf de zijkant richten om crosstalk te vermijden zou de verkeerde trillingen opwekken, terwijl het richten vanaf de uiteinden om de juiste trillingen op te wekken te veel crosstalk zou veroorzaken.

Een team van onderzoekers, onder leiding van Pablo Viñas en collega's van instellingen in Spanje en Oostenrijk, heeft een nieuw theoretisch kader ontwikkeld dat uitlegt hoe deze impasse te doorbreken. Ze analyseerden een recent experiment waarbij wetenschappers een slimme truc met licht gebruikten om dit probleem op te lossen. In plaats van eenvoudige, uniforme laserstralen te gebruiken, vormden ze het licht in een specifiek patroon, waardoor een gradiënt ontstond die verandert over de straal heen. Dit gestructureerde licht stelt hen in staat om de atomen op een manier te duwen en te trekken die alleen gericht is op de trillingen die langs de lengte van de keten lopen, terwijl de zijwaartse wiebelingen die voor problemen zorgen, worden genegeerd. Door dit te doen, kunnen ze individuele atomen met hoge precisie adresseren, zelfs in een keten van wel twintig atomen, zonder dat het signaal overvloeit naar hun buren.

De onderzoekers bouwden een gedetailleerd wiskundig model om precies te begrijpen hoe dit proces werkt en waar de fouten vandaan komen. Ze ontdekten dat de primaire bronnen van falen in deze gates de natuurlijke, willekeurige trillingen van de atomen zijn als gevolg van warmte en het flikkeren van de magnetische velden die de atomen op hun plaats houden. Hun berekeningen tonen aan dat onder de omstandigheden die in het recente experiment werden gebruikt, deze twee factoren tot drieënnegentig procent van de totale fouten verklaren. Dit is een cruciaal inzicht, omdat het ingenieurs precies vertelt waar zij hun inspanningen op moeten richten om de machines te verbeteren. Als zij de atomen verder kunnen koelen of ze beter kunnen afschermen tegen magnetische ruis, kunnen ze de foutmarge drastisch verlagen.

De studie onderzocht ook hoe deze methode schaalt naarmate de keten van atomen langer wordt. Bij veel andere benaderingen zorgt het toevoegen van meer atomen ervoor dat het systeem instabiel wordt en de foutmarge exponentieel stijgt. De simulaties van de auteurs suggereren echter dat met deze techniek van gestructureerd licht de foutmarge opmerkelijk stabiel blijft, zelfs wanneer de keten groeit van een dozijn atomen naar twintig. Ze identificeerden specifieke instellingen voor de lasers en de val die theoretisch de foutmarge kunnen verlagen van één op duizend naar één op honderdduizend. Dit niveau van precisie is een belangrijke stap richting de betrouwbare, grootschalige kwantumcomputers die nodig zijn om complexe algoritmen uit te voeren en hun eigen fouten te corrigeren.

Door te bevestigen dat deze aanpak werkt voor middelgrote ketens van ionen, biedt het artikel een duidelijke weg vooruit voor het bouwen van krachtigere kwantumprocessors. Het team heeft niet alleen geobserveerd dat de methode werkt; ze hebben ook uitgelegd waarom het werkt en de grenzen van de prestaties gekwantificeerd. Hun werk suggereert dat de flessenhals voor toekomstige kwantumcomputers niet noodzakelijkerwijs het vermogen is om meer atomen vast te houden, maar eerder het vermogen om de ruis te beheersen die hen beïnvloedt. Met de juiste technische aanpassingen gebaseerd op hun bevindingen, wordt de weg naar een praktische, fouttolerante kwantumcomputer aanzienlijk duidelijker.