Sarežģītu kvantu sistēmu simulēšana var pārslogot pat jaudīgākos superdatorus. Rīsa universitātes pētnieku izveidotais trīsdimensionālais jonu slazds varētu ļaut šādas sistēmas ērtāk pētīt kontrolētos laboratorijas apstākļos.

Jaunā ierīce darbojas ar smagajiem joniem, tostarp iterbiju, tādējādi novēršot ierobežojumu, kas bija raksturīgs agrākiem monolītajiem slazdiem. Projektā sadarbojās Rīsa universitātes, Djūka universitātes un uzņēmuma Translume Inc. pētnieki.

Kā darbojas jonu slazdi

Kvantu simulatori ļauj kontrolētos apstākļos atveidot sistēmas, kuras būtu grūti modelēt tieši. Eksperimentos ar iesprostotiem joniem elektriskie lauki notur uzlādētos atomus noteiktā vietā, bet lāzeri kontrolē to mijiedarbību. Pēc tam zinātnieki mēra jonu stāvokli, lai izprastu sistēmu, ko tie pārstāv.

Tradicionālie tā dēvētie lāpstiņu tipa slazdi nodrošina augstu veiktspēju, tomēr to izgatavošanai nepieciešama manuāla montāža. Tas apgrūtina vienādu ierīču atkārtotu izgatavošanu. Savukārt mikroizgatavoti mikroshēmu slazdi piedāvā lielāku precizitāti un vienkāršāku mērogošanu, taču bieži nespēj sasniegt tradicionālo risinājumu veiktspēju.

Trīs paaudzes līdz funkcionējošam prototipam

Rīsa universitātes fiziķis Gvido Pagano un viņa kolēģi centās šīs priekšrocības apvienot kompaktā trīsdimensionālā konstrukcijā. Agrākie monolītie slazdi bija paredzēti vieglākiem joniem, piemēram, kalcijam, bet smagāku daļiņu izmantošana radīja papildu tehniskus izaicinājumus.

Pētnieki sāka ar kausēta kvarca stikla bloku. Ar lāzeriem un ķīmisku apstrādi tajā izveidoja kanālus joniem un rievas elektrodiem. Pēc tam elektrodi tika uzstādīti, bet visa konstrukcija pārklāta ar izsmidzinātu zeltu.

Rievas palīdzēja elektrodus izolēt, novēršot īssavienojumus ražošanas laikā. Tās arī samazināja elektriskā caursitiena risku, kad vakuumā uz elektrodiem tika pievadīts augsts spriegums.

Pirmais prototips atklāja būtisku problēmu: pie nepieciešamā radiofrekvences sprieguma slazdā radās termiskas un elektriskas problēmas. Ierīce pat sāka redzami spīdēt, jo sakarsa.

Otrā versija novērsa galvenos trūkumus, taču radīja nevēlamu aksiālo mikrokustību un augstu jonu uzkaršanas ātrumu. Abi efekti apdraudēja precīzo kontroli, kas nepieciešama uzticamiem kvantu eksperimentiem.

Trešajā paaudzē pētnieki uzlaboja siltuma novadīšanu un samazināja jonu kustību. Viņi izmantoja arī plazmā balstītu virsmas apstrādi, lai mazinātu jonu uzkaršanas ātrumu.

Pārbaudes un iespējamie pielietojumi

Pagano laboratorija un Djūka universitātes līdzstrādnieki gatavos slazdus pārbaudīja atsevišķi. Mērījumi sakrita ar iepriekšējām datorsimulācijām, apstiprinot, ka ierīces darbojas atbilstoši paredzētajam.

Jaunā konstrukcija varētu padarīt eksperimentus ar iesprostotiem joniem vieglāk atkārtojamus akadēmiskajās laboratorijās. Saderība ar iterbiju paplašina arī to jonu klāstu, kurus iespējams izmantot monolītos trīsdimensionālos slazdos.

Pētījuma atbildīgais autors, doktorantūras students Abhišeks Menons, norādīja, ka ar smagākiem joniem saistīto inženiertehnisko problēmu atrisināšana varētu vienkāršot arī vieglāku jonu iesprostošanu.

Šī tehnoloģija varētu palīdzēt pētīt sarežģītus procesus, tostarp lādiņa pārnesi fotosintēzes laikā. Tā vietā, lai mēģinātu tieši modelēt visu kvantu sistēmu, zinātnieki var izmantot kontrolētus eksperimentus, lai izprastu tās pamatā esošo uzvedību.

Pētījuma līdzautors un Pagano laboratorijas docents-research profesors Romans Žuravels sacīja, ka slazds varētu palīdzēt sadalīt sarežģītas kvantu problēmas pārvaldāmos eksperimentos.

Šis risinājums laboratorijām piedāvā vēl vienu rīku tādu sistēmu izpētei, kuras parastajiem datoriem ir grūti simulēt. Izmantotā inženiertehniskā pieeja varētu palīdzēt izstrādāt arī nākotnes jonu slazdus plašākam kvantu tehnoloģiju lokam. Pētījums publicēts žurnālā Physical Review Applied.