新的离子冷却技术可以简化量子计算设备

一种利用单一种类捕获离子进行计算和冷却的新冷却技术可以简化量子电荷耦合器件(QCCD)的使用，有可能使量子计算更接近实际应用。

佐治亚理工学院研究所(GTRI)的科学家使用一种称为快速离子交换冷却的技术，证明他们可以通过将同一物种的冷离子​​移动到附近来冷却钙离子(在进行量子计算时钙离子会获得振动能量)。将能量从热离子转移到冷离子后，制冷剂离子返回到附近的储液器进行冷却以供进一步使用。

QCCD的传统离子冷却涉及使用两种不同的离子种类，冷却离子与不同波长的激光耦合，不会影响用于量子计算的离子。除了控制量子计算操作所需的激光器之外，这种交感冷却技术还需要额外的激光器来捕获和控制制冷剂离子，这既增加了复杂性，又减慢了量子计算操作的速度。

GTRI研究科学家SpencerFallek表示：“我们展示了一种在这种有前途的QCCD架构中更快、更简单地冷却离子的新方法。”“快速交换冷却可以更快，因为传输冷却离子比激光冷却两种不同的物质所需的时间更少。而且它更简单，因为使用两种不同的物质需要操作和控制更多的激光器。”

视频展示了如何通过将计算离子靠近相同原子种类的制冷剂离子来冷却计算离子。图片来源：佐治亚理工学院研究所

离子运动发生在通过精确控制电压维持的陷阱中，该电压在金触点之间产生电势。但是从陷阱的一部分移动冷原子有点像移动底部有大理石的碗。

GTRI首席研究科学家肯顿·布朗(KentonBrown)解释说，当碗停止移动时，大理石必须变得静止，而不是在碗中滚动，他在量子计算问题上工作了15年以上。

“这基本上就是当我们将限制势(就像碗)从陷阱中的一个地方移动到另一个地方时，我们一直试图对这些离子做的事情，”他说。“当我们将限制电势移动到陷阱中的最终位置后，我们不希望离子在电势内移动。”

一旦热离子和冷离子彼此靠近，就会发生简单的能量交换，原始的冷离子(现在通过与计算离子的相互作用而被加热)可以被分离并返回到附近的冷却离子库。

GTRI研究人员迄今为止已经展示了一种双离子概念验证系统，但表示他们的技术适用于使用多种计算和冷却离子以及其他离子种类。

一次能量交换消除了计算离子中超过96%的热量(以102(5)量子测量)，这让布朗感到惊喜，他原本预计可能需要多次相互作用。研究人员通过改变计算离子的起始温度来测试能量交换，发现无论初始温度如何，该技术都是有效的。他们还证明了能量交换操作可以进行多次。

热量(本质上是振动能量)通过计算活动和异常加热(例如离子阱本身中不可避免的射频噪声)渗入捕获的离子系统。布朗说，由于计算离子在冷却时也会从这些来源吸收热量，因此消除96%以上的能量将需要更多改进。

研究人员设想，在操作系统中，冷却原子将位于QCCD操作一侧的储库中，并保持在稳定的温度。计算离子不能直接进行激光冷却，因为这样做会擦除它们所保存的量子数据。

QCCD系统中的过多热量会对量子门的保真度产生不利影响，从而在系统中引入误差。GTRI研究人员尚未构建使用其冷却技术的QCCD，尽管这是研究​​的未来步骤。未来的其他工作包括加速冷却过程并研究其沿其他空间方向冷却运动的有效性。

快速交换冷却实验的实验部分以模拟为指导，以预测离子在离子阱内的旅程中所采取的路径等因素。布朗说：“我们确实了解我们正在寻找什么，以及我们应该如何根据我们拥有的理论和模拟来实现它。”

这种独特的离子阱是由桑迪亚国家实验室的合作者制造的。GTRI研究人员使用计算机控制的电压发生卡，能够在陷阱中产生特定波形，该陷阱共有154个电极，其中实验使用了48个。实验在温度保持在4开氏度左右的低温恒温器中进行。

GTRI的量子系统部门(QSD)研究基于单个捕获原子离子的量子计算系统和基于原子系统的新型量子传感器设备。GTRI研究人员设计、制造并演示了许多离子阱和最先进的组件，以支持集成量子信息系统。所开发的技术之一是能够将离子精确地输送到需要的地方。

法莱克说：“我们可以非常精细地控制离子的移动方式、它们聚集在一起的速度、它们彼此靠近时的电势，以及进行此类实验所需的时间。”

参与该项目的其他GTRI研究人员包括CraigClark、HollyTinkey、JohnGray、RyanMcGill和VikramSandhu。该研究是与洛斯阿拉莫斯国家实验室合作完成的。