Реализация методов комбинированного радиочастотно-оптического удержания ионов для решения задачи масштабирования универсальных квантовых вычислителей

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-12-00274

НазваниеРеализация методов комбинированного радиочастотно-оптического удержания ионов для решения задачи масштабирования универсальных квантовых вычислителей

Руководитель Хабарова Ксения Юрьевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые слова ионный кубит, квантовый гейт, комбинированная ионная ловушка, лазерное охлаждение, основное колебательное состояние

Код ГРНТИ29.29.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Ионы в радиочастотных ловушках являются многообещающей системой для создания квантовых компьютеров и симуляторов. На сегодняшний день на ионных кубитах были получены чрезвычайно высокие времена когерентности вплоть до десятков секунд, продемонстрированы высокоэффективные методы инициализации состояний и их считывания с достоверностью, достигающей 99.9%. Была также показана возможность осуществления однокубитных и двухкубитных операций с рекордной достоверностью среди всех известных систем вплоть до 99.996% и 99.8%, соответственно. В 2016 году был продемонстрирован универсальный программируемый квантовый компьютер на 5-и ионных кубитах. Одной из наибольших трудностей на пути к реализации ионного квантового вычислителя является масштабирование. Сегодня все исследуемые системы основаны на линейных цепочках ионов, захваченных в двумерную ионную ловушку Пауля. Ввиду дальнодействия кулоновских сил, обеспечивающих взаимодействие частиц между собой, захват большого количества ионов в одну ловушку существенно усложняет спектр нормальных колебательных мод кристалла. Соответственно, спектроскопическая индивидуальная адресация мод, необходимая для возбуждения коллективных колебаний, становится проблематичной. Помимо этого, существует предельное число частиц, при котором кристалл все ещё будет иметь вид линейной цепочки. При увеличении числа частиц кристалл преобразуется в двух- или трехмерную структуру, что приводит к еще большему усложнению колебательного спектра ионов, затрудняет их оптическую адресацию приготовления и считывания состояний, а также увеличивает декогеренцию из-за эффектов радиочастотного нагрева. Для решения этих проблем большинство ведущих лабораторий идет по пути создания сложных массивов линейных ионных ловушек на чипе, между которыми ионы могут перемещаться. Таким образом, на одном чипе создается множество небольших ионных регистров, состояния которых могут перепутываться между собой. Минусами данного подхода является низкая скорость транспортировки ионов между ловушками, что заметно ограничивает скорость вычислений, сложный процесс изготовления таких ловушек и управления ионами на них. В данном проекте предлагается альтернативный подход к решению задачи масштабирования и адресации. Было показано, что альтернативой к созданию большого числа изолированных линейных ловушек с переносом ионов между ними может быть создание одномерного или двумерного массива точечных радиочастотных ловушек на чипе, расположенных на близком расстоянии друг от друга. При оптимально выбранном расстоянии между ловушками возможно достижение режима, при котором взаимодействие между частицами оказывается достаточно велико для осуществление быстрых и эффективных гейтов. При этом взаимодействие быстро затухает вдоль массива, что позволяет осуществлять эффективное масштабирование. Данный проект направлен на исследование взаимодействий ионов в ловушках Пауля, а также создание экспериментального прототипа двумерного массива ионных ловушек на чипе. Исследования нацелены на обеспечение возможности создания масштабируемой системы из большого (несколько десятков) количества кубитов. Особенностью и новизной проекта является использование комбинированных радиочастотно-оптических полей, альтернативное созданию сложных конфигураций радиочастотных ловушек с независимым управлением потенциалами в каждой удерживающей ячейке. Использование технологий, наработанных в области захвата нейтральных частиц, таких как управляемые при помощи пространственных фазовых модуляторов оптических пинцетов, позволяет значительно упростить процесс управления ионами на чип-ловушке и решить сложную проблему обеспечения подвода потенциалов к множеству независимых электродов. В проекте предлагается использовать чип относительно простой конфигурации с использованием сфокусированных оптических полей - оптических пинцетов для минимизации микродвижения и нагрева ионов. Управление оптическими полями также позволит быстро изменять степень взаимодействие между ионами. На пути реализации проекта планируется исследование комбинированного радиочастотно-оптического удержания ионов иттербия в традиционной линейной ловушке Пауля, исследование метода охлаждения иттербия до основного колебательного состояния при помощи эффекта двойной электромагнитно-индуцированной прозрачности, разработка чипа с двумерным массивом ловушек, а также исследование методов адресной загрузки ионов в такие массивы и их оптической адресации. Будут осуществлены эксперименты по перепутыванию частиц в таких ловушках. Исследования являются альтернативным направлением в области развития методов квантовых вычислений на основе ионов. В проекте предлагается оригинальный подход, объединяющий преимущества захвата ионов в радиочастотные ловушки Пауля и удобство управления частицами с помощью оптического пинцета, который открывает возможности существенного прогресса в области масштабирования ионных вычислительных систем.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Заливако И.В., Борисенко А.С., Семериков И.А., Сидоров П.Л., Вишняков П.А., Хабарова К.Ю., Колачевский Н.Н. Nonselective Paul ion trap loading with a light-emitting diode APPLIED PHYSICS LETTERS, том 115, выпуск 10, стр.104102 (год публикации - 2019)
10.1063/1.5115324

2. Борисенко А.С., Заливако И.В., Семериков И.А., Аксенов М.Д., Хабарова К.Ю., Колачевский Н.Н. Motional states of laser cooled Yb ions in an optimized radiofrequency trap Laser physics, том 29, выпуск 9, стр. 095201 (год публикации - 2019)
10.1088/1555-6611/ab2b9e

3. Аксенов М.Д., Заливако И.В., Семенин Н.В., Смирнов В.Н., Журавлев И., Вишняков П.А., Сидоров П.Л., Борисенко А.С., Семериков И.А., Хабарова К.Ю., Колачевский Н.Н. Photoionization dynamics of Mg atoms during Paul trap loading using a two-color UV laser system Laser Physics Letters (год публикации - 2020)
10.1088/1612-202X/abc611

4. Семериков И.А., Заливако И.В., Борисенко А.С., Аксенов М.Д., Колаческий Н.Н., Хабарова К.Ю. Линейная ловушка Пауля для задач квантовой логики Краткие сообщения по физике (год публикации - 2020)

5. Акопян Л.А., Заливако И.В., Лахманский К.Е., Хабарова К.Ю., Колачевский Н.Н. Оптимизация спектра нормальных частот линейных ионных кристаллов в ловушках Пауля для EIT-охлаждения с использованием оптической решетки Письма в ЖЭТФ, том 112, вып. 9, с. 626 – 631 (год публикации - 2020)
10.31857/S1234567820210090

6. Кудеяров К.С., Головизин А.А., Борисенко А.С., Жаднов Н.О., Заливако И.В., Крючков Д.С., Чиглинцев Э.О., Вишнякова Г.А., Хабарова К.Ю., Колачевский Н.Н, Comparison of Three Ultrastable Lasers with a Femtosecond Frequency Comb Письма в ЖЭТФ, том 114, №5, стр. 243-249 (год публикации - 2021)
10.1134/S0021364021170082

7. Семенин Н.В., Борисенко А.С., Заливако И.В., Семериков И.А., Хабарова К.Ю., Колачевский Н.Н. Оптимизация достоверности считывания квантового состояния оптического кубита в ионе иттербия 171Yb+ Письма в ЖЭТФ, том 114, №8, стр. 553-559 (год публикации - 2021)

8. Сидоров П.Л., Хабарова К.Ю., Заливако И.В, Борисенко А.С., Семериков И.А. Optimization of Raman Cooling of Mg-25(+) Ion to Ground Vibrational State in Linear Paul Trap BULLETIN OF THE LEBEDEV PHYSICS INSTITUTE, Том: 46 Выпуск: 4 Страница:138-142 (год публикации - 2020)
10.3103/S1068335619040080

9. Акопян Л.А., Заливако И.В., Лахманский К.Е., Хабарова К.Ю., Колачевский Н.Н. Optimization of the Normal Mode Spectrum of Linear Ion Crystals in Paul Traps for EIT Cooling Using an Optical Lattice Jetp Letters, Том:112 Выпуск: 9 Страница: 585-590 (год публикации - 2020)
10.1134/S0021364020210043

10. Семериков И.А., Заливако И.В., Борисенко А.С., Аксенов М.Д., Колаческий Н.Н., Хабарова К.Ю. Linear Paul Trap for Quantum Logic Experiments BULLETIN OF THE LEBEDEV PHYSICS INSTITUTE, Том: 47 Выпуск: 12 Страница: 385-389 (год публикации - 2020)
10.3103/S1068335620120155

11. Борисенко А.С., Заливако И.В., Семериков И.А., Аксенов М.Д., Хабарова К.Ю., Колачевский Н.Н. Motional states of laser cooled Yb ions in an optimized radiofrequency trap Laser physics, Том: 29 Выпуск: 9 Номер статьи: 095201 (год публикации - 2020)
10.1088/1555-6611/ab2b9e

Публикации