Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках работы над проектом в 2019 году была разработана и создана лазерная система для доплеровского охлаждения четных изотопов ионов иттербия, таких как 170Yb+, Yb172+, Yb174+ и 176Yb+. Система состоит из охлаждающего диодного лазера на длине волны 369.5 нм, возбуждающего переход 2S1/2->2P1/2, а также перекачивающего диодного лазера на длине волны 935.2 нм для опустошения метастабильного уровня 2D3/2. При помощи разработанной лазерной системы были продемонстрированы захват и доплеровское лазерное охлаждение линейных кристаллов из ионов иттербия. Захват и охлаждение ионов были осуществлены в линейной радиочастотной ловушке Пауля. Дизайн установки позволяет захватывать в ловушку как ионы иттербия, так и ионы магния (при помощи вспомогательной лазерной системы). Были проведены теоретические и экспериментальные исследования динамики линейных ионных кристаллов при переходе от гармонического к ангармоническому потенциалу. Применение ангармонических потенциалов перспективно с точки зрения большей свободы в управлении конфигурацией и модовым составом кристаллов. Так, ангармонические потенциалы являются одним из методов на пути к решению задачи масштабирования ионных квантовых вычислителей, в частности, для упрощения задачи адресации кубитов. Проведены расчеты колебательных частот и конфигураций ионных кристаллов в комбинированной линейной радиочастотно оптической ловушке. Радиочастотно-оптическое удержание является перспективным подходом, призванным решить проблему масштабирования ионных систем и линейные комбинированные ловушки являются первым шагом для исследований в этой области. Была посчитана зависимость частот колебательных мод от интенсивности оптического поля. Быстрое управление колебательным спектром путем изменения интенсивности оптического поля позволяет увеличить эффективность процессов глубокого охлаждения ионов, а также дает больший контроль над взаимодействием частиц. Также в 2019 году был спроектирован чип с массивом трехмерных ионных ловушек для последующих исследований коллективных колебаний частиц в таких массивах, оптических методов компенсации микродвижений, адресации и процессов загрузки. Особенностью спроектированного чипа является простота конструкции и технологии изготовления. Был подробно исследован метод загрузки ионов в ловушку, основанный на электронной фотоэмиссии с поверхности электродов ловушки, ускорении электронов полем ловушки и последующей ионизации захватываемых атомов. Для этого электроды покрываются веществом с низкой работой выхода, а затем освещаются при помощи светодиода в ультрафиолетовой или видимой областях (в зависимости от материала, покрывающего электроды). Была экспериментально исследована эффективность работы этого метода в зависимости от различных параметров, более подробно изучен сам механизм этого процесса, а также предложен ряд дальнейших улучшений подхода. Данный метод может найти широкое применение в экспериментах, где простота процесса загрузки и компактность установки выходят на первый план.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В 2020 году были продолжены исследования по масштабированию квантовых вычислителей на ультрахолодных ионах, в том числе и с использованием методов комбинированного радиочастотно-оптического удержания ионов, планарных двухмерных массивов из ловушек Пауля на чипе, а также быстрых неадиабатических квантовых вентилей. Был разработан и изготовлен чип, состоящий из массива 5x5 ловушек Пауля, обеспечивающий оптический доступ к каждой из ловушек для «оптического пинцета», что позволяет осуществить эксперименты по комбинированному удержанию ионов в такой конфигурации. Осуществлены первые эксперименты по захвату и лазерному охлаждению ионов иттербия-174 при помощи данного чипа. Был продемонстрирован захват и лазерное охлаждение облаков ионов в ловушки на чипе и проведены предварительные исследования характеристик ловушек. Полученные результаты позволили выработать ряд технических решений, направленных на уменьшение величины микродвижения и нагрева ионов, которые будут использованы в дальнейших исследованиях. Также была модифицирована лазерная система, что позволило проводить эксперименты по захвату и охлаждению не только четных изотопов иттербия, но и изотопа иттербий-171, который является наиболее перспективным с точки зрения квантовых вычислений. Модификация лазерной системы позволила экспериментально осуществить глубокое охлаждение одиночного иона иттербия в линейной ловушке методом d-EIT до значений среднего числа колебательных квантов в радиальных модах не более 0,3. Помимо этого был предложен и теоретически исследован метод повышения эффективности глубокого охлаждения линейных ионных кристаллов методом d-EIT путем изменения колебательного спектра кристаллов при помощи наложения на радиочастотную ловушку оптической решетки. Была продемонстрирована возможность в несколько раз сузить ширину колебательного спектра ионных кристаллов при приложении оптической решетки с оптимальной амплитудой, что существенно увеличивает эффективность охлаждения. Экспериментальные исследования данного метода планируются на следующем этапе выполнения проекта. Было подробно теоретически исследовано перепутывание ионов в двумерных массивах ловушек при помощи быстрых импульсных неадиабатических квантовых вентилей. При этом параметры ловушек и лазерных источников, использованные при симуляции были близки к имеющимся в нашем распоряжении. Были найдены оптимальные последовательности лазерных импульсов для проведения операций, а также исследовано влияние различных факторов на достоверность операций. Впервые исследовано влияние интерференции ошибок отдельных импульсов на общую достоверность операции. Продолжено исследование различных методов загрузки ионов в ловушки для упрощения и снижения стоимости установок на базе ионных ловушек, а также расширения возможностей их применения. Была исследована динамика загрузки ионов магния в линейную ловушку Пауля при помощи двухцветной лазерной системы на 280/285 нм. Продемонстрирована селективная загрузка как одиночных ионов, так и кристаллов из более чем 10 частиц. Также были проведены предварительные исследования для реализации индивидуальной оптической адресации элементов двумерного ионного массива при помощи DMD-матриц.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В 2021 году были продолжены работы над усовершенствованием конструкции массивов микроловушек на чипах. Были проведены работы над улучшением уровня вакуума, а также заземлением электродов постоянного потенциала по переменному полю. Несмотря на достигнутые результаты в этом направлении чрезмерно большие темпы нагрева все ещё препятствуют дальнейшим экспериментам и требуют применения более совершенных технологий изготовления в части качества поверхности ловушек. Также были продолжены исследования по охлаждению ионов в линейной ловушке до основного состояния методом d-EIT. Исследована эффективность данного метода в зависимости от количества ионов. Основным фактором, существенно ограничивающим эффективность метода, также являются высокие темпы нагрева. Экспериментально исследован метод компенсации паразитных электрических полей при помощи оптического пинцета. Установлен размер полей, которые могут быть докомпенсированы в нашей установке при помощи пинцетов. Также предложен метод увеличения эффективности техники за счет применения ретрорефлектора. Теоретически изучен вклад эффекта когерентного сложения ошибок отдельных лазерных импульсов в достоверность неадиабатических квантовых операций в массивах ловушек на чипе. Исследована зависимость достоверности операций от размеров массивов, а также от частоты повторения импульсов. Получено аналитическое описание данного явления. Показано, что рассмотренный эффект, не принимавшийся до этого во внимание в литературе, может давать вклад в ошибку операций вплоть до 3%. Помимо этого, путем численной симуляции продемонстрировано отсутствие падения достоверности неадиабатических квантовых операций на чипе с увеличением числа частиц, начиная с 4 ионов, с учетом эффекта когерентного сложения ошибок. Также было исследовано влияние пинцетов на достоверность таких вентилей. Показано, что ошибки квантовых операций, связанные с применением оптических пинцетов, оказываются на несколько порядков меньше других вкладов, ограничивающих на сегодняшний день достоверность двухкубитных операций.