Quels types d'ions les ordinateurs quantiques à ions piégés utilisent-ils?

Les ordinateurs quantiques à ions piégés sont parmi les approches les plus prometteuses pour réaliser un calcul quantique à grande échelle. L'idée générale est de coder les qubits dans les états électroniques de chaque ion, puis de contrôler les ions via des forces électromagnétiques.

Dans ce contexte, je vois souvent que la réalisation expérimentale de systèmes d'ions piégés utilise des ions (voir par exemple 1803.10238 ). Est-ce toujours le cas? Sinon, quels autres types d'ions sont ou peuvent être utilisés pour construire ces types de systèmes d'ions piégés? Quelles sont les principales caractéristiques que les ions doivent avoir pour être utilisés de manière pratique pour construire des dispositifs d'ions piégés?${}^{40}\!\operatorname{Ca}^+$

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Il y a presque trop d'espèces ioniques à énumérer qui ont été utilisées dans le calcul quantique basé sur un piège à ions ou dans des expériences connexes. Le choix habituel est celui qui, lorsqu'il est individuellement ionisé, ressemble à de l'hydrogène, ce qui a des conséquences pratiques pour leur spectroscopie laser: puis un fort, généralement $20$La transition large MHz se situe dans l'extrémité UV ou bleue du spectre accessible au laser (plutôt que dans le vide-UV, comme ce serait le cas pour les ions qui ont besoin d'une ionisation supérieure à la simple ionisation pour devenir hydrogène). De plus, le spectre reste relativement simple (s'il ressemble à l'hydrogène), ce qui signifie qu'il existe un nombre limité d'autres états qui peuvent avoir besoin de leur propre laser comme laser repumper. Il peut être avantageux d'avoir un état méta-stable optique qui nécessite un laser repumper car il peut être utilisé dans les mesures et les préparations d'état (ou, de manière atypique, pour représenter un état qubit).

Enfin, vous voulez généralement (mais pas toujours) un ion qui a une structure hyperfine, car cela vous permet d'utiliser des états hyperfins avec seulement un espacement d'énergie comme états qubit. Ces états sont avantageux car ils ont des temps de décroissance d'un siècle, ce qui signifie que vous n'avez pratiquement pas de décohérence simplement de leur décroissance spontanée (mais vous avez une décohérence des champs magnétiques, auxquels des états bien choisis n'ont cependant pas de linéaire et seulement un quadratique dépendance).$\mathrm{GHz}$

Il est également pratique d'avoir un ion de faible masse car cela vous permet de construire un piège à ions avec des fréquences de mouvement plus élevées (l'ion est plus fortement confiné si son rapport charge / masse est élevé). Des fréquences de mouvement élevées impliquent moins de chauffage (anormal) à l'intérieur du piège à ions et la possibilité de vitesses de porte plus rapides de qubits.$2$

L'une des espèces d'ions les plus populaires est parce que vous avez tous les lasers requis dans une région spectrale (IR et visible) où vous pouvez les construire avec une relative simplicité et il existe une méta-stable pratique état d'environ largeur (et un avec environ largeur qui n'est pas pertinent), et il a une structure hyperfine particulièrement simple en raison de son spin nucléaire de . est presque aussi bon: si vous pouvez vivre sans avoir une structure hyperfine, a des exigences laser tout aussi simples et une masse relativement faible tout en réglant vos lasers pour$\ce{^{171}Yb^+}$$1\ \mathrm{Hz}$$1\ \mathrm{nHz}$$1/2$$\ce{Ca^+}$$\ce{^{40}Ca^+}$$\ce{^{43}Ca^+}$vous obtenez une structure hyperfine au détriment de celle-ci étant assez compliquée en raison de la rotation nucléaire de . Certains groupes poursuivent qui est cool pour être si léger et pour n'avoir besoin que de lasers essentiellement à la même longueur d'onde, quoique difficile ( ). De nombreux autres ions ont été utilisés expérimentalement, notamment , et une bonne représentation des propriétés importantes peut être trouvée dans le "Tableau périodique des ions" de Chris Monroe .$7/2$$\ce{^9Be^+}$$313\ \mathrm{nm}$$\ce{Sr^+}$$\require{\mhchem}\ce{Hg^+}$