포획 이온 양자 컴퓨터

2011년부터 NIST의 양자 컴퓨팅용 칩 이온 트랩.

갇힌 이온 양자 컴퓨터는 대규모 양자 컴퓨터에 대한 제안된 접근법 중 하나입니다.이온, 즉 하전된 원자 입자는 전자기장을 이용하여 자유 공간에 갇히고 부유할 수 있다.큐비트는 각 이온의 안정적인 전자 상태로 저장되며, 공유 트랩(쿨롱력을 통한 상호작용)에서 이온의 집단 양자화 운동을 통해 양자 정보를 전송할 수 있다.레이저는 큐비트 상태 간의 결합(단일 큐비트 동작의 경우) 또는 내부 큐비트 상태와 외부 운동 상태 간의 결합(큐비트 ^[1]간 얽힘의 경우)을 유도하기 위해 사용됩니다.

양자 컴퓨터의 기본 작동은 현재 포획된 이온 시스템에서 가장 높은 정확도로 실험적으로 입증되었습니다.시스템을 임의로 많은 큐비트로 확장하기 위해 개발 중인 유망한 스킴에는 이온을 일련의 이온 트랩에서 공간적으로 구별되는 위치로 전송하고, 원격으로 얽힌 이온 체인의 광접속 네트워크를 통해 큰 얽힌 상태를 구축하며, 이 두 가지 아이디어의 조합이 포함된다.이것은 갇힌 이온 양자 컴퓨터 시스템을 확장 가능한 범용 양자 컴퓨터에 가장 유망한 아키텍처 중 하나로 만듭니다.2018년 4월 현재 제어 가능한 가장 많은 입자는 포획 이온 ^[2]^[3]^[4]20개이다.

역사

제어된 NOT 양자 게이트의 첫 번째 구현 방식은 1995년 ^[5]Ignacio Cirac과 Peter Zoller에 의해 특히 포획 이온 시스템에 대해 제안되었다.같은 해 NIST Ion Storage Group에서 Controlled-NOT 게이트의 핵심 단계가 실험적으로 실현되어 ^{[citation needed]}전 세계적으로 양자 컴퓨팅 연구가 시작되었습니다.

심플한^[6] 스케일 모델

2021년 인스브루크 대학의 연구진은 세계 최초의 품질 규격인 콤팩트 트랩 이온 양자 컴퓨터인 ^[7]^[6]19인치 서버 랙에 들어가는 양자 컴퓨팅 데모를 발표했습니다.

폴 이온 트랩

인스브루크에 있는 일련의 칼슘 이온을 위한 전형적인 선형 폴 트랩입니다.

현재 포획 이온 양자 컴퓨팅 연구에 사용되고 있는 전기역학 이온 트랩은 볼프강 폴(1989년 노벨상^[8] 수상자)에 의해 1950년대에 발명되었다.하전 입자는 언쇼의 정리 때문에 정전기력만으로는 3D에 갇힐 수 없다.대신 무선주파수(RF)로 진동하는 전계가 인가되어 RF주파수로 회전하는 안장 형상으로 전위를 형성한다.RF 필드가 올바른 매개변수(진동 주파수 및 필드 강도)를 가지고 있는 경우, 하전 입자는 일련의 마티외 ^[1]방정식으로 설명된 움직임과 함께 복원력에 의해 안장 지점에 효과적으로 갇힙니다.

이 안장점은 전위장 ^[9]내 이온에 대해 에너지 크기가 최소화된 $|E(\mathbf {x} )|$ $|E(\mathbf {x} )|$ ( $|E(\mathbf {x} )|$ x $|E(\mathbf {x} )|$ ) \ $displaystyle$ E ( \ $mathbf$ { $x$ ) 입니다.Paul 트랩은 이온을 2차원( ${\hat {x}}$ 을 잃지 않고 x $^\$ ${\widehat {y}}$ 및 ${\widehat {y}}$ y^\ $displaystyle$ \widehat ${\widehat {y}}$ ${$ $y})$ 으로 가두는 고조파 퍼텐셜 웰로 종종 설명되며, z $^\$ { $z}$ ${\widehat {z}}$ 으로 ${\widehat {z}}$ 이온을 가두지 않습니다.여러 이온이 안장점에 있고 시스템이 평형상태에 있을 때 이온은 ${\widehat {z}}$ z $^(\$ ${\widehat {z}}$ 에서만 자유롭게 이동할 수 있습니다. 따라서 이온들은 서로 밀어내고 z $^(\$ ${\widehat {z}}$ 에서 수직 구성을 형성합니다. 가장 간단한 경우는 몇 개의 이온 스트랜드만 있는 선형입니다.s.^[10] 많은 이온이 같은 ^[1]트랩에서 초기화되면 복잡성이 증가하는 쿨롱 상호작용은 보다 복잡한 이온 구성을 만들 것입니다.또한 추가된 이온의 진동이 양자계를 크게 복잡하게 만들어 초기화 및 연산을 더욱 ^[10]어렵게 한다.

일단 포획되면 k $k_{\rm {B}}T\ll \hbar \omega _{z}$ T $k_{\rm {B}}T\ll \hbar \omega _{z}$ $k_{\rm {B}}T\ll \hbar \omega _{z}$ { $k_{\rm {B}}T\ll \hbar \omega _{z}$ style $k_{\rm$ { $B}}$ 이 $k_{\rm {B}}T\ll \hbar \omega _{z}$ 이온을 냉각해야 합니다. $T\ll \hbar \omega$ _ ${z$ 람 디케 체제' 참조).이는 도플러 냉각과 해결된 사이드밴드 냉각을 조합하여 달성할 수 있습니다.이 매우 낮은 온도에서 이온 트랩 내의 진동 에너지는 질량 진동 모드의 중심이라고 불리는 이온 가닥의 에너지 고유 상태에 의해 포논으로 양자화된다.단일 포논의 에너지는 $\hbar \omega _{z}$ z $\hbar \omega _{z}$ \ $hbar \obega$ _ ${z$ 관계에 의해 주어진다.이러한 양자 상태는 갇힌 이온이 함께 진동하여 외부 환경으로부터 완전히 격리될 때 발생합니다.이온이 적절히 분리되지 않으면 외부 전자기장과 상호작용하는 이온으로 인해 노이즈가 발생할 수 있으며, 이로 인해 무작위 이동이 발생하고 정량화된 에너지 ^[1]상태가 파괴됩니다.

양자 연산의 요건

마그네슘 이온이 함정에 들어있어요

기능하는 양자컴퓨터에 대한 완전한 요건은 완전히 알려져 있지 않지만 일반적으로 받아들여지는 요건은 많이 있습니다.David DiVincenzo는 양자 ^[1]컴퓨팅의 이러한 기준의 몇 가지를 개략적으로 설명했습니다.

큐비트

어떤 2단계 양자 시스템도 큐비트를 형성할 수 있으며, 이온의 전자 상태를 사용하여 큐비트를 형성할 수 있는 두 가지 주요 방법이 있습니다.

2개의 접지 상태의 초미세 레벨(이것을 「초미세 큐비트」라고 부릅니다)
접지 상태 레벨 및 들뜸 레벨(이것을 「광 큐비트」라고 부릅니다)

초미세 큐비트는 매우 긴 수명(수천 년에서 수백만 년의 감소 시간)이며 위상/주파수가 안정적입니다(기존에는 원자 주파수 ^[10]표준에 사용됨).광큐비트는 논리 게이트 동작 시간(마이크로초)에 비해 비교적 긴 수명(감쇠 시간)도 있습니다.각 유형의 큐비트를 사용하는 것은 실험실에서 고유한 과제를 제기합니다.

초기화

이온 큐비트 상태는 광학 펌핑이라고 불리는 프로세스를 사용하여 특정 큐비트 상태로 준비할 수 있습니다.이 과정에서 레이저가 이온을 몇 가지 들뜬 상태로 결합하고, 결국 레이저에 결합되지 않은 하나의 상태로 붕괴한다.일단 이온이 그 상태에 도달하면 레이저가 존재하면 결합할 들뜬 레벨이 없어지기 때문에 이온은 그 상태를 유지합니다.이온이 다른 상태로 변질되면 레이저와 상호작용하지 않는 상태로 변질될 때까지 레이저가 이온을 계속 자극합니다.이 초기화 프로세스는 많은 물리학 실험에서 표준이며 매우 높은 충실도(99.9%)^[11]로 실행할 수 있습니다.

따라서 양자 계산을 위한 시스템의 초기 상태는 초미세 및 운동 접지 상태에 있는 이온으로 설명할 수 있으며, 그 결과 질량 ^[1]포논 상태의 초기 중심은 0 $|0\rangle$ µ(\ $style$ 0 $\rangle)$ 입니다.

측정.

이온에 저장된 큐비트 상태를 측정하는 것은 매우 간단합니다.일반적으로 레이저는 큐비트 상태 중 하나만 결합하는 이온에 적용됩니다.측정 과정에서 이온이 이 상태로 붕괴되면 레이저가 이온을 들뜨게 하고 이온이 들뜬 상태에서 감소하면 광자가 방출된다.붕괴 후에는 레이저에 의해 이온이 지속적으로 들뜨고 반복적으로 광자를 방출합니다.이러한 광자는 광전자 증배관(PMT) 또는 전하 결합 소자(CCD) 카메라로 수집할 수 있다.이온이 다른 큐비트 상태로 붕괴되면 레이저와 상호작용하지 않고 광자가 방출되지 않습니다.채취한 광자의 수를 세는 것으로, 이온의 상태를 매우 고정밀(>99.^{[citation needed]}9%)로 판정할 수 있다.

임의 단일 큐비트 회전

범용 양자 컴퓨팅의 요건 중 하나는 단일 큐비트의 상태를 일관되게 변경하는 것입니다.예를 들어 0으로 시작하는 큐비트를 사용자가 정의한0과 1의 임의의 중첩으로 변환할 수 있습니다.포집 이온 시스템에서 이것은 종종 초미세 큐비트의 경우 자기 쌍극자 천이 또는 자극된 라만 천이 및 광 큐비트의 경우 전기 4극 천이를 사용하여 수행됩니다."회전"이라는 용어는 큐비트 순수 상태의 블로흐 구체 표현을 암시합니다.게이트 충실도는 99%보다 클 수 있습니다.

회전 $R_{x}(\theta )$ $R_{x}(\theta )$ x ( $R_{x}(\theta )$ ) { $displaystyle$ $R_{x$ $R_{x}(\theta )$ } ( $theta$ $R_{y}(\theta )$ )} $R_{y}(\theta )$ $R_{y}(\theta )$ y ( $display )$ 는 외부 $R_{y}(\theta )$ 전자기장의 주파수를 조작하여 이온을 특정 시간 동안 필드에 노출시킴으로써 개별 이온에 적용할 수 있습니다.These controls create a Hamiltonian of the form ${\displaystyle H_{$ $I}^{i}=\hbar \Omega /2(S_{+}\exp(i\phi)+S_{-}\exp(-i\phi$ 여기서 $S_{+}$ S $S_{+}$ +(\ $displaystyle S_{+})$ $S_{-}$ S - $(\$ 는 $S_{-}$ 스핀의 상승 연산자와 하강 연산자입니다(Ladder 연산자 참조).이러한 회전은 양자 ^[1]컴퓨팅에서 단일 비트 게이트를 위한 범용 구성 요소입니다.

이온-레이저 상호작용에 대한 해밀턴을 구하려면 제인스-커밍스 모델을 적용한다.일단 해밀턴이 발견되면, 큐비트에서 수행되는 유니터리 연산의 공식은 양자 시간 진화의 원리를 사용하여 도출될 수 있다.이 모델은 회전파 근사치를 이용하지만, 포획 이온 양자 ^[1]컴퓨팅의 목적에는 효과적입니다.

두 개의 큐빗이 얽힘

1995년 Cirac과 Zoller에 의해 제안된 제어 NOT 게이트 외에도, 많은 동등하지만 보다 강력한 체계가 그 이후로 실험적으로 제안되고 구현되었다.JJ. Garcia-Ripoll, Cirac 및 Zoller의 최근 이론적 연구는 게이트의 얽힘 속도에 근본적인 제한이 없다는 것을 보여주었지만, 이 충동적인 상태(1마이크로초 이상)의 게이트는 아직 실험적으로 증명되지 않았다.이러한 구현의 충실도는 99%^[12] 이상입니다.

확장 가능한 트랩 설계

양자 컴퓨터는 어려운 계산 문제를 해결하기 위해 많은 큐비트를 한 번에 초기화, 저장 및 조작할 수 있어야 합니다.그러나 앞서 설명한 바와 같이 계산 능력을 유지하면서 각 트랩에 한정된 수의 큐비트를 저장할 수 있습니다.따라서 어떤 트랩에서 다른 트랩으로 정보를 전송할 수 있는 상호 연결된 이온 트랩을 설계해야 합니다.이온은 내부 상태에 기억된 양자 정보를 잃지 않고 동일한 상호작용 영역에서 개별 기억 영역으로 분리하여 다시 결합할 수 있다.이온은 또한 "T" 접합부에서 코너링을 할 수 있으므로 2차원 트랩 어레이 설계가 가능합니다.차세대 트랩 제조에도 반도체 제조 기술이 적용돼 칩 위의 이온 트랩이 현실화됐다.예를 들어 D에 의해 설계된 Quantum Charge-Coupled Device(QCCD; 양자 전하 결합 소자)가 있습니다.킬핀스키, C. 먼로, 그리고 D.J. ^[13]윈랜드.QCCD는 큐비트를 저장하고 조작하기 위한 지정된 영역을 가진 전극의 미로와 유사합니다.

전극에 의해 생성되는 가변 전위는 이온을 특정 영역에 가두고 전송 채널을 통해 이동할 수 있으므로 모든 이온을 단일 트랩에 포함할 필요가 없습니다.QCCD의 메모리 영역 내의 이온은 어떠한 조작으로부터도 분리되기 때문에, 그 상태에 포함되는 정보는 나중에 사용하기 위해서 보관됩니다.2개의 이온 상태를 얽히게 하는 게이트를 포함한 게이트는 이 ^[13]기사에서 이미 설명한 방법으로 상호작용 영역의 큐비트에 적용된다.

확장 가능한 트랩의 일관성 저하

이온이 상호 연결된 트랩에서 영역 간에 전송되고 있으며 불균일한 자기장을 받으면 아래 방정식의 형태로 탈코히렌스가 발생할 수 있습니다(제만 ^[13]효과 참조).이것은 양자 상태의 상대적 위상을 효과적으로 변화시킨다.위 화살표와 아래 화살표는 일반적인 중첩 큐비트 상태(이 경우 이온의 접지 상태 및 들뜸 상태)에 해당합니다.

$(\displaystyle \left \uparrow \right \rangle +\left \right \rangle \long rightrow \exp(i\alpha)\left \uparrow \right \rangle +\left \downarrow \right \rangle }$

트랩의 물리적 움직임 또는 의도하지 않은 전기장의 존재로 인해 추가적인 상대적 위상이 발생할 수 있다.사용자가 파라미터α를 결정할 수 있다면, 상대위상을 ^[1]보정하기 위해 알려진 양자정보 프로세스가 존재하기 때문에 이 데코히렌스를 설명하는 것은 비교적 간단할 것이다.그러나 자기장과의 상호작용에서 발생하는 α는 경로 의존적이기 때문에 문제는 매우 복잡하다.이온트랩에 상대위상의 데코히렌스를 도입할 수 있는 여러 가지 방법을 고려할 때, 데코히렌스를 최소화하는 새로운 기준으로 이온 상태를 재상상상하는 것이 문제를 제거하는 방법이 될 수 있다.

디코히렌스를 퇴치하는 한 가지 방법은 디코히렌스 프리 서브스페이스( $DFS$ )라고 불리는 새로운 베이스로 양자 상태를 표현하는 것입니다. 기본 상태는 $\left|\uparrow \downarrow \right\rangle$ $↑↓$ ↓↑ $\left|\downarrow \uparrow \right\rangle$ ↓↑ ↓↑ ® $displaystyle \left \downarrow \uprow$ \right $\rangle$ 입니다 $\left|\uparrow \downarrow \right\rangle$ . 실제로 DFS는 두 개의 서브스페이스입니다.따라서 두 이온이 동일한 상대상을 획득할 경우 DFS의 전체 양자 상태에 ^[13]영향을 미치지 않습니다.

과제들

갇힌 이온 양자 컴퓨터는 이론적으로 DiVincenzo의 양자 컴퓨팅 기준을 모두 충족하지만 시스템의 구현은 상당히 어려울 수 있습니다.갇힌 이온 양자 컴퓨팅이 직면한 주요 과제는 이온의 운동 상태의 초기화 및 상대적으로 짧은 포논 ^[1]상태의 수명입니다.데코히렌스(decohence)는 제거하기도 어려운 것으로 판명되어 큐비트가 바람직하지 않게 ^[5]외부 환경과 상호작용할 때 발생합니다.

CNOT 게이트 구현

제어된 NOT 게이트는 모든 양자 게이트가 CNOT 게이트와 단일 큐비트 ^[10]회전의 조합으로 생성될 수 있기 때문에 양자 컴퓨팅의 중요한 구성요소이다.따라서 트랩 이온 양자 컴퓨터가 다음 세 가지 요구 사항을 충족함으로써 이 작업을 수행할 수 있는 것이 중요합니다.

첫째, 갇힌 이온 양자 컴퓨터는 "임의적인 단일 비트 회전" 섹션에서 이미 논의된 큐비트에 대해 임의 회전을 수행할 수 있어야 합니다.

CNOT 게이트의 다음 구성 요소는 제어된 위상 플립 게이트 또는 제어된 X 게이트입니다(양자 로직 게이트 참조).포획 이온 양자 계산기에서 질량 포논 중심 상태가 제어 큐비트로서 기능하고, 이온의 내부 원자 스핀 상태가 동작 큐비트이다.따라서 포논 큐비트가 $|1\rangle$ 1의 $|1\rangle$ \ $displaystyle$ 1 $rangle$ 일 경우 동작 큐비트의 위상은 플립됩니다.

마지막으로 이온 상태와 포논 ^[1]상태 모두에서 동작하는SWAP 게이트를 실장해야 합니다.

CNOT 게이트를 나타내는 두 가지 대체 방식이 마이클 닐슨과 아이작 추앙의 양자 계산과 양자 정보, 시락과 졸러의 냉감기 ^[1]^[5]이온 양자 계산에 제시되어 있다.

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