کیوبیت‌هایی مبتنی‌ بر یون‌های به‌ دام افتاده، می‌توانند با رکورد جدیدی از نظر دقت، آماده‌سازی و دستکاری شوند.

کیوبیت‌های مبتنی بر یون‌های به دام افتاده ⁴³Ca⁺

از حدود دو دهه‌ی پیش این باور شکل گرفت که مکانیک کوانتومی می‌تواند منبع قدرتمندی برای سرعت بخشیدن به کارهای مهم محاسباتی باشد. و این منجر به تلاش‌های زیادی شد تا سیستم‌های فیزیکی کافی برای انجام محاسبات کوانتومی یافت شود. یکی از موانع دستیابی به یک فناوری ارزشمند در این زمینه، نیاز به آماده‌سازی، دستکاری و اندازه‌گیری بیت‌های کوانتومی با دقت تقریباً کامل بوده است.

کیفیت دستکاری کیوبیت‌ها در تعدادی از سیستم‌های فیزیکی به طور چشمگیری در چند سال گذشته بهبود پیدا کرده است و نوید آن را می‌دهد که رایانه‌هایی کوانتومی در مقیاس بزرگ که بتوانند محاسبات معنی‌دار را انجام دهند، قابل دستیابی‌اند. در همین راستا توماس هارتی (Thomas Harty) از دانشگاه آکسفورد و همکارانش با کیوبیت‌هایی شامل یون‌های به دام افتاده ⁴³Ca⁺، رکورد جدیدی را به ثبت رسانده‌اند که نشان می‌دهد طرح یون‌های به دام افتاده می‌تواند زیربنای یک رایانه‌ی کوانتومی جهانی را فراهم آورد.

یون‌های اتمی به دام افتاده، یکی از کاندیداهای پیشرو برای ساخت یک رایانه‌ی کوانتومی قدرتمند به شمار می‌روند. در کار این گروه، همه‌ی پیشرفت‌های یک دهه‌ی گذشته درون یک سیستم گنجانده شده است.

در این طرح، پژوهشگران  یک یون ⁴³Ca⁺  را به واسطه‌ی میدان‌های الکتریکی با بسامد رادیویی روی سطح زیرلایه‌ای از جنس یاقوت محدود کرده‌اند (شکل بالا). انتخاب این یون برای کسب نتایج بسیار مهم بود: با اعمال یک میدان مغناطیسی متوسط، جدایی سطح انرژی بین دو ساختار فوق‌ریز یون به اندازه کافی بزرگ بود تا نسبت به نوسانات کوچک میدان مغناطیسی حساسیت نشان ندهد؛ رخدادی که در گذشته بر اجرای این گونه آزمایشات تاثیرگذار بوده است. بنابراین این دو ساختار فوق‌ریز ⁴³Ca⁺ برای نشان دادن حالت‌های کیوبیت‌ |0> و |1> ایده‌آل بودند. و برخلاف آزمایش‌های قبلی در اینجا ثبات سطوح فوق‌ریز منجر به اندازه‌گیری زمان همدوسی حدود 50 ثانیه شد. که این رکوردی برای کیوبیت یونی بدون حفاظ در برابر نوسان‌های میدان مغناطیسی زمینه محسوب می‌شود.

آن‌ها برای آماده‌سازی الکترونِ یون در یک حالت اولیه مناسب، از روش دمش لیزری کمک گرفتند که به خوبی در سیستم‌های اتمی جواب می‌دهد. و نیز برای خواندن حالت‌های کوانتومی با دقت بالا از این واقعیت بهره گرفتند که در حالت برانگیخته که به واسطه‌ی پالس‌های نوری متوالی پدید می‌آید، تنها یکی از دو حالت کیوبیت‌ها فلورسنت می‌شود (شکل را ببینید).

این پژوهشگران آماده‌سازی کیوبیت‌ها و بازخوانی آن‌ها را 150,000 بار تکرار کردند و میزان خطا تنها 0.07% گزارش شد. آن‌ها همچنین نشان دادند که فاز و مدت زمان پالس مایکروویو می‌تواند با دقت کنترل شود تا عملیات‌های منطقی مورد نظر با دقت تقریباً کامل صورت گیرد.

منبع: Trapped Ions Make Impeccable Qubits

مرجع:http://link.aps.org/doi/10.1103  /PhysRevLett.113.220501