Kornela universitātes pētnieki izstrādājuši mikroshēmā balstītu lāzera dzesēšanas paņēmienu, kas iesprostotu jonu nogādā tuvu tā kvantu pamatstāvoklim aptuveni 150 mikrosekundēs. Tradicionālai lāzera konfigurācijai tam nepieciešamas apmēram 500 mikrosekundes, tādēļ jaunā metode varētu mazināt vienu no būtiskākajiem laika ierobežojumiem kvantu datoru darbībā.

Pētījumu vadīja Kornela Duffieldas inženierzinātņu koledžas elektrotehnikas un datortehnikas docents Karans Mehta. Eksperiments parādīja, ka integrēta fotonika var uzlabot iesprostotu jonu vadību laikā, kad pētnieki cenšas izveidot lielākus kvantu datorus.

Kāpēc joni jāatdzesē

Iesprostotu jonu kvantu datori izmanto elektriski lādētus atomus, kas elektromagnētiskajos laukos tiek izmantoti kvantu informācijas glabāšanai un apstrādei. Šāda pieeja nodrošina augstu precizitāti, taču nevēlama atomu kustība var traucēt kvantu operācijām.

Lai šo kustību novērstu, pētniekiem atkārtoti jāizmanto lāzeri un joni jāatdzesē līdz iespējami zemākajam enerģijas stāvoklim. Šīs procedūras var aizņemt ievērojamu daļu kvantu datora darbības laika. Mehta norādīja, ka dzesēšana, īpaši līdz kvantu pamatstāvoklim, vadošajās iesprostoto jonu sistēmās ir kļuvusi par būtisku sastrēgumu.

Lāzera gaisma tiek vadīta mikroshēmā

Lai risinātu šo problēmu, Kornela komanda izstrādāja sistēmu, kas rūpīgi kontrolētu lāzera gaismu pievada caur integrētiem optiskiem komponentiem, kas izveidoti uz mikroizgatavotas jonu slazda mikroshēmas.

Pētnieki divus lāzera starus virzīja pretējos virzienos, izveidojot stāvviļņu — mainīgu augstas un zemas intensitātes apgabalu rakstu. Iesprostotais kalcija jons tika novietots zemas intensitātes punktā jeb mezglā. Tas samazina nevēlamu gaismas mijiedarbību, kas dzesēšanas laikā varētu jonam piešķirt papildu siltumu.

Šo optisko izkārtojumu komanda apvienoja ar paņēmienu, ko sauc par elektromagnētiski inducētās caurspīdības jeb EIT dzesēšanu. Mērķa kustība līdz kvantu pamatstāvoklim tika atdzesēta aptuveni 150 mikrosekundēs, salīdzinot ar aptuveni 500 mikrosekundēm, izmantojot tradicionālu lāzera ar ceļojošu vilni konfigurāciju.

Eksperimentā vienlaikus tika dzesēti trīs izmērīti jona kustības režīmi aptuveni 5 MHz frekvenču diapazonā. Mērķa režīms sasniedza vidējo fononu aizpildījumu ap 0,05, bet arī pārējie izmērītie režīmi tika nogādāti tuvu pamatstāvoklim. Tādējādi nebija nepieciešams katru režīmu dzesēt atsevišķā operācijā.

Dzesēšana zem Doplera robežas

Rezultāti demonstrēja arī dzesēšanu zem tradicionālās Doplera robežas, eksperimentāli apstiprinot ilgstoši pastāvējušu teorētisku prognozi.

Būtiska pieejas daļa ir integrētā optiskās gaismas pievades sistēma. Mikroshēma vada vairākus viļņu garumus — no ultravioletās līdz tuvajai infrasarkanajai gaismai —, kas nepieciešami jona kontrolei. Komanda izstrādāja arī iepakojumu, kas ļauj ierīcei darboties kriogēnā temperatūrā.

Mikroshēmas komerciāli izgatavotas Nīderlandē sadarbībā ar Cīrihes Federālo tehnisko augstskolu ETH Zurich, savukārt Kornela universitātes laboratorijas sagatavoja ierīces eksperimentiem.

Ceļš uz lielākām kvantu sistēmām

Demonstrācijā tika izmantots viens kalcija jons, nevis vairāku jonu kvantu procesors. Tomēr pētnieki uzskata, ka šo pieeju varētu izmantot arī lielākās iesprostoto jonu sistēmās.

Optisko komponentu integrēšana jonu slazda ierīcēs varētu samazināt vajadzību pēc sarežģītiem ārējiem lāzeru risinājumiem, kvantu procesoriem palielinoties un tajos iekļaujot vairāk kubitu. Ātrāka vairāku kustības režīmu dzesēšana varētu arī saīsināt laiku, kas nepieciešams jonu sagatavošanai kvantu operācijām.

Pētnieki norādīja, ka šis darbs parāda: tehnoloģijas, kas tiek izstrādātas kvantu datoru mērogošanai, var vienlaikus uzlabot arī šo sistēmu pamatoperācijas.