研究人员首次设计了在低温下运行的完全连接的32量子位捕获离子量子计算机寄存器。新系统代表了开发实用量子计算机的重要一步。

杜克大学的Junki Kim将在首届OSA Quantum 2.0会议上介绍新的硬件设计，该会议将与9月14日至17日在OSA光学和激光科学前沿APS / DLS(FiO + LS)会议上共同举办的全虚拟活动。

量子计算机不是使用只能为零或一的传统计算机位，而是使用可以处于计算状态叠加的量子位。这使量子计算机能够解决传统计算机过于复杂的问题。

俘获离子量子计算机是用于量子计算的最有前途的量子技术之一，但是创建具有足够量子比特以用于实际使用的计算机一直是一项挑战。

“与马里​​兰大学合作，我们设计和建造了几代完全可编程的离子阱量子计算机，”金说。“该系统是最新的努力，可以直接解决许多导致长期可靠性的挑战。”

扩大量子计算机的规模

俘获离子量子计算机将离子冷却到极低的温度，这使它们能够以超高真空悬浮在电磁场中，然后用精密的激光操纵​​以形成量子位。

迄今为止，由于与破坏离子链的背景分子的碰撞，离子所看到的驱动逻辑门的激光束的不稳定性以及来自捕获电极的电场噪声，阻碍了在大型离子阱系统中实现较高的计算性能。搅动常用于产生纠缠的离子运动。

在新工作中，Kim及其同事通过采用了戏剧性的新方法来应对这些挑战。离子被捕获在闭环低温恒温器内部的局部超高真空外壳中，该低温恒温器冷却至4K温度，且振动最小。这种布置消除了由于与环境中的残留分子碰撞而引起的量子位链的干扰，并强烈抑制了来自捕集阱表面的异常加热。

为了获得干净的激光束轮廓并最大程度地减少误差，研究人员使用了光子晶体光纤来连接拉曼光学系统的各个部分，这些光学系统驱动量子位门(量子位的构建模块)。此外，操作量子计算机所需的精密激光系统经过精心设计，可从光学平台上取下并安装在仪器机架中。然后，激光束以单模光纤传输到系统。他们采用了设计和实现光学系统的新方法，这些方法从根本上消除了机械和热的不稳定性，从而为捕获的离子量子计算机创建了交钥匙式激光装置。

研究人员证明，该系统能够按需自动加载离子量子比特链，并且可以使用微波场执行简单的量子比特操作。该团队在实现纠缠门方面取得了可观的进展，其方式可以扩展到完整的32量子位。

在未来的工作中，该团队计划与计算机科学家和量子算法研究人员合作，将特定于硬件的软件与捕获离子量子计算硬件集成在一起。由完全连接的俘获离子量子位和特定于硬件的软件组成的完全集成的系统将为实用的俘获离子量子计算机奠定基础。