Высокозаряженные ионы улучшат стабильность квантовых компьютеров

С возрастанием степени ионизации (по мере удаления из атома все большего количества электронов), оставшиеся электроны все больше притягиваются к положительно заряженному ядру. Размер атома уменьшается, благодаря чему электроны слабее реагируют на воздействие внешней среды. Таким образом, созданные на основе подобных ионов квантовые биты (кубиты) будут менее подвержены риску потери квантовой когерентности.

При всей их привлекательности для квантовых вычислений, высокоионизированные атомы крайне сложно получать. Одной из установок, созданных с этой целью в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора, является Electron Beam Ion Trap (EBIT). В ней луч электронов сталкивается с пучком атомов превращая их в ионы с зарядом вплоть до +92 (полностью ионизированный атом урана). Проблемой также является улавливание таких ионов и их охлаждение до криогенных температур, необходимых для работы квантовых компьютеров.

В новой теоретической работе, опубликованной 18 июля в Physical Review Letters, Марианна Сафронова из Объединенного квантового института (JQI) вместе с коллегами определила какие из высокозаряженных ионов наиболее перспективны для применения в квантовых компьютерах и атомных часах.

Они предложили десять таких ионов, включая самарий 14+ и неодим 10+, а кроме того, рассчитали ряд необходимых экспериментаторам параметров, таких как ожидаемые времена жизни и внутренние энергетические уровни для возбужденных состояний ионов.

Выбор потенциальных кандидатур осуществлялся по нескольким критериям. Прежде всего, переходить к таким состояниям должно быть возможно, используя фотоны оптического или околооптического диапазона: экстремальные степени ионизации требуют манипуляций с рентгеновскими лучами или вакуумным ультрафиолетом, трудноосуществимых в квантовых компьютерах. Кроме того, ионы должны быть способны входить в квазистабильные возбужденные состояния, и не быть в них радиоактивными.

Большую практическую ценность имеет также составленная авторами таблица ожидаемых частот критических переходов в атомах-кандидатах. Расчеты проверялись на переходах с имеющимися лабораторными данными: разница теории и практики составляла менее одного процента.

Помимо других потенциальных приложений в геодезии, навигации или гидрологии, Сафронова подчеркивает высокий потенциал своей работы именно для квантовых вычислений: «Высокозаряженные ионы, которые мы рекомендуем, это в настоящее время совершенно неисследованный ресурс для квантовой информатики, обладающий уникальными атомными свойствами и возможностью уменьшения чувствительности к проблемным эффектам декогерентности».

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365