Évolutivité des ordinateurs quantiques à pièges ioniques

Ma compréhension est que les champs magnétiques nécessaires pour maintenir les ions en place dans les ordinateurs quantiques à pièges ioniques sont très complexes, et pour cette raison, actuellement, seuls les ordinateurs 1-D sont possibles, réduisant ainsi la facilité de communication entre les qubits. Il semble y avoir une proposition pour un système 2D utilisant un piège Paul dans cette préimpression, mais je n'arrive pas à trouver si cela a réellement été testé.

L'évolutivité des ordinateurs quantiques à pièges à ions dépend-elle uniquement de cela (si les ions peuvent être disposés dans des configurations autres qu'une ligne droite) ou d'autres facteurs sont-ils impliqués? Dans le premier cas, quels progrès ont été réalisés? Dans ce dernier cas, quels sont les autres facteurs?

Les ordinateurs quantiques à piège à ions retiennent les ions dans un espace vide en utilisant des champs électriques et non magnétiques. C'est impossible en utilisant des champs statiques ( théorème d'Earnshaw ) donc un champ alternatif est utilisé. L'effet est que les particules chargées telles que les ions recherchent un minimum de champ; ce type de piège à ions est également appelé piège quadripolaire car le champ le plus simple (d'ordre le plus bas) ayant un minimum dans l'espace est un champ quadripolaire. Il est simple de disposer des champs qui confinent les ions soit à un point soit à une ligne et les ordinateurs quantiques à piège à ions utilisent ce dernier. Pourtant, cela ne varie pas car les calculs impliquent des modes de mouvement des ions qui deviennent plus difficiles à distinguer lorsqu'il y a plus d'ions.

Il existe deux approches pour rendre cette approche évolutive: coupler des chaînes d'ions soit en utilisant la lumière (photons), soit en faisant passer les ions de l'une à l'autre de cette section de piège à ions linéaire. L'utilisation de photons est particulièrement difficile et loin d'être réalisable actuellement pour un ordinateur quantique qui atteint un seuil de correction d'erreur, alors concentrons-nous sur la navette des ions.

Les pièges quadripolaires mathématiquement vrais ne peuvent pas être construits pour avoir des intersections, mais cela n'a pas empêché les physiciens de les faire de toute façon. L'astuce est que, bien que l'on ne puisse pas arranger d'avoir un champ quadripolaire au centre de l'intersection, on peut toujours avoir un confinement. Et en entraînant légèrement les ions dans le champ de confinement (alternatif) à l'aide d'un champ statique, on peut obtenir un confinement suffisamment fort. Il a même été démontré qu'une telle navette à travers une intersection est possible sans chauffer de manière significative l'ion (changer son état de mouvement).

Avec de telles intersections, les pièges à ions sont évolutifs.

Vous voudrez peut-être consulter ce Schaetz et al, Rapports sur les progrès de la physique de 2012 " Simulations quantiques expérimentales de la physique à plusieurs corps avec des ions piégés " ( lien alternatif dans la sémantique scolaire ). En résumé: oui, l'agencement des ions est une limitation clé de l'évolutivité, mais non, les configurations ne sont pas actuellement limitées à une seule ligne d'atomes . Sur ce papier, vérifiez la figure 3 pour des images de fluorescence expérimentales d'ions refroidis par laser dans un potentiel de confinement commun d'un piège RF linéaire, y compris un seul ion, une seule ligne, une chaîne en zigzag et une construction en trois dimensions.

D'après la figure 3 de l'article ci-dessus de Schaetz et al: « Les transitions de phase structurelle peuvent être induites entre des cristaux à une, deux et trois dimensions, par exemple en réduisant le rapport des fréquences de piégeage radiales aux axiales. » Je suis sûr que plus récent les articles de synthèse devraient exister, mais c'est le premier que j'ai trouvé satisfaisant. Certes, les résultats actuels concernent davantage la simulation directe que le calcul universel, par exemple à partir de la figure 13 du même article: " Changer les paramètres expérimentaux de manière non adiabatique pendant une transition de phase structurelle d'une chaîne linéaire d'ions à une structure en zigzag, l'ordre dans le cristal se décompose en domaines, encadrés par des défauts topologiquement protégés qui sont adaptés pour simuler des solitons. "

Sur le même sujet, et également à partir de 2012, un autre document à vérifier serait les interactions Ising bidimensionnelles conçues dans un simulateur quantique d'ions piégés avec des centaines de spins (version arXiv) ( version Nature . Vous avez l'image expérimentale comme figure 1) c'est un piège de Penning dans ce cas plutôt qu'un piège de Paul. En effet, ce n'est pas l'informatique quantique universelle mais plutôt l'application spécialisée de la simulation quantique, mais c'est quand même un progrès indéniablement expérimental vers le maintien des ions en place dans un piège 2-D et ainsi progresser vers l'évolutivité.

Je ne suis moi-même pas un expert des pièges, mais c'est ce que j'ai obtenu sur l'évolutivité lors d'une récente conférence (2017):

• Les expérimentateurs jouent avec les potentiels et réalisent des combinaisons intéressantes, avec des zones centrales quasi cristallines (chaînes, échelles, rubans, etc.) et des pointes exotiques (par exemple des rubans ou des échelles qui finissent en un seul atome).
• $s^1$$^+$$^+$$^{14}$$^2$
• Les vibrations collectives sont utilisées comme base de la communication inter-bits. Comme dans le point précédent, le mode de respiration est particulièrement stable et donc pratique à utiliser, mais d'autres vibrations sont également accessibles et permettraient des schémas de communication inter-bits plus intéressants.

Bien que je ne sois pas expérimentaliste et que je n'ai pas étudié ces systèmes en profondeur, ma compréhension (grossière) est la suivante:

Dans les pièges à ions, vous devez (plus ou moins) piéger les ions dans les lignes. Cependant, ce n'est pas une limitation en termes de facilité de communication, car ce à quoi vous pensez probablement, c'est lorsqu'un système linéaire a des interactions avec le plus proche voisin, c'est-à-dire que chaque qubit ne peut interagir qu'avec ses voisins immédiats. Dans les pièges à ions, ce n'est pas vraiment vrai car vous pouvez accéder à un mode de vibration commun à tous les ions afin de faire interagir directement des paires arbitraires. Donc en fait, c'est vraiment bien.

Le problème est le nombre de qubits que vous pouvez stocker. Plus vous mettez d'atomes dans le piège, plus leurs niveaux d'énergie sont rapprochés et plus ils deviennent difficiles à traiter individuellement afin de les contrôler et de mettre en œuvre des portes. Cela a tendance à limiter le nombre de qubits que vous avez dans une seule zone de piégeage. Pour contourner cela (et avec le bonus supplémentaire de parallélisme, nécessaire pour la correction des erreurs), les gens veulent faire interagir plusieurs régions de piégeage distinctes, soit avec des qubits volants, soit en faisant passer les atomes entre différentes régions de piégeage. Cette deuxième approche semble être bien avancée. C'est la proposition théorique, mais j'ai certainement vu des articles qui ont démontré les composants de base .