Ученым удалось уменьшить размеры квантового вычислителя и уместить его в две серверные стойки. В качестве кубитов они использовали ионы, которые смогли собрать в цепочки до 50 штук, а для 24 даже создать запутанное состояние. Работа опубликована в журнале PRX Quantum.
Каждая из платформ для реализации квантовых вычислений имеет свои особенности и недостатки, которые мешают ей стать массовой и применимой в быту. Возможности таких устройств ограничиваются лабораторными экспериментами, для которых не требуется создание компактных устройств. Ученые намного больше сосредоточены на том, чтобы увеличивать мощности существующих вычислителей, чем создать маломощное, но реальное и компактное устройство.
Группа исследователей под руководством Томаса Монца (T. Monz) из Инсбрукского университета имени Леопольда и Франца не оставила в стороне этот вопрос и смогла собрать квантовый вычислитель на ионах, который уместился в две серверные стойки. При этом уменьшение размеров установки не сказалось на качестве результатов, полученных в эксперименте. Ученым удалось достичь существующего в лабораторных условиях уровня экспериментов.
Проблема, с которой ожидали столкнуться экспериментаторы при попытке собрать все модули вычислителя — высокие шумы и сложности в механической стабилизации. Кроме того, они старались оптимально сгруппировать все модули устройства и использовать простые в обслуживании и качественные элементы. Например, они выбрали ионы кальция-40 из-за наличия компактных лазеров для накачки и оптических элементов с хорошими характеристками. Кодировать кубиты-ионы тоже можно разными способами — использовать оптические переходы или микро- и радиоволны. Авторы остановились на первом варианте — для его реализации нужен всего один лазерный пучок, а сам процесс загрузки ионов в оптическую ловушку, приготовление нужного состояния и манипулирование им не вызывают сложностей.
Схема блока оптической ловушки
Источник изображения: I. Pogorelov et al. / PRX Quantum, 2021
Несмотря на все возможные технические упрощения схемы, потребовалось три лазерных модуля для того, чтобы выполнять все операции, которые необходимы для реализации квантовых вычислений: один импульсный с высокой мощностью непосредственно для загрузки ионов в ловушку, второй — перестраиваемый по длине волны — для их удержания и перезагрузки кубитов, а третий для дополнительного охлаждения ионов методом боковой полосы. Под все лазерные модули и необходимые для них управляющие блоки ученые выделили отдельную серверную стойку, все остальные части установки, включая саму ловушку и ее управляющие модули, они разместили на второй стойке.
В лабораторных условиях для стабилизации установки используют массивные оптические столы на специальных опорах с виброизоляцией, поэтому авторы сравнивали шум, который наблюдали в эксперименте с шумом от оптического стола. Механические вибрации влияют не только на стабильность самой ячейки с ионами, но и вносят шум в управляющие ионами пучки. Управление ионами позволяет реализовывать однокубитные и двухкубитные операции, и чем шумнее управляющий пучок, тем хуже получатся эти операции. Исследователи следили за вибрационной стабильностью в разных точках установки и не обнаружили ее видимого ухудшения в сравнении с оптическим столом.
Изображения цепочек из 24 и 50 ионов
Источник изображения: I. Pogorelov et al. / PRX Quantum, 2021
Нестабильность цепочки ионов возникает из-за столкновения с оставшимися после охлаждения тепловыми атомами и может приводить к тому, что ионы смещаются со своих мест, либо объединяются и образуют молекулу. Ученым удалось получить цепочку из 32 ионов, которая в течение 12 часов потеряла только один ион. Стабильности кубитов и управляющих ими операций еще не достаточно для того, чтобы иметь возможность запутывать их с высокой точностью и реализовывать любые операции. Поэтому авторы следили за тем, как тесно ионы «общаются» между собой: насколько изменение состояния одного из них повлияет на его соседа (называется этот параметр crosstalk). Понятно, что при интенсивном взаимодействии между ионами было бы невозможно осуществлять заданные операции над одними и тем более двумя кубитами. Измеренное в работе значение оказалось меньше четырех процентов, что позволяет проводить вычисления.
Решение всех возможных технических трудностей позволило ученым приготовить запутанное состояние из 24 кубитов, что, по их утверждениям, пока не удавалось сделать без использования постобработки. Кроме этого, они показали базовые возможности управления цепочкой из 50 ионов — это уровень уже существующих лабораторных систем. Оценить его можно на примере работы по созданию 53-кубитной системы для описания сложных квантовых систем или планов и успехов Honeywell по созданию самого мощного квантового вычислителя на ионах.
Оксана Борзенкова
