خلاصه خبر:
دانشمندان با استفاده از تنها یک گونه از یون های به دام افتاده، یک تکنیک خنک کننده جدید برای دستگاه های کوانتومی کوپل شده با بار (QCCD) توسعه داده اند. این تکنیک که خنک‌سازی تبادل یونی سریع نامیده می‌شود، فرآیند خنک‌سازی را با انتقال انرژی از یک یون داغ به یک یون سرد از همان گونه ساده می‌کند. برخلاف روش‌های مرسوم که به چندین گونه یونی و لیزر نیاز دارند، خنک‌سازی سریع تبادل یونی نیاز به لیزرهای اضافی را از بین می‌برد و پیچیدگی را کاهش می‌دهد. این پیشرفت راه را برای کاربردهای عملی محاسبات کوانتومی با بهبود قابلیت اطمینان و کارایی عملیات کوانتومی هموار می کند. یافته‌های این مقاله، امکان‌پذیری یک پردازنده QCCD تک گونه‌ای که قادر به شبیه‌سازی و محاسبات کوانتومی سریع است را نشان می‌دهد.
توضیحات تکمیلی:
دانشمندان موسسه تحقیقات فناوری جورجیا (GTRI) یک تکنیک خنک‌کننده جدید ایجاد کرده‌اند که می‌تواند استفاده از دستگاه‌های کوانتومی کوپل‌شده با بار یا همان (QCCD) را در محاسبات کوانتومی ساده کند. این تکنیک که به عنوان خنک‌سازی تبادل یونی سریع شناخته می‌شود، از یک نوع یون به دام افتاده برای محاسبات و خنک‌سازی استفاده می‌کند. با انتقال انرژی از یک یون داغ به یک یون سرد از همان گونه، محققان توانستند یون محاسباتی را خنک کنند و خنک‌سازی سریع‌تر و ساده‌تر را در معماری QCCD ممکن کنند.
روش‌های خنک‌سازی یونی مرسوم برای QCCDها شامل استفاده از دو گونه یونی مختلف و لیزرهای متعدد، افزایش پیچیدگی و کاهش سرعت عملیات محاسبات کوانتومی است. در مقابل، خنک‌سازی سریع تبادل یونی نیاز به گونه‌های مختلف یونی را از بین می‌برد و زمان لازم برای خنک‌سازی را کاهش می‌دهد. با انتقال یون های خنک کننده در زمان کمتری نسبت به خنک کننده لیزری دو گونه مختلف، این تکنیک فرآیند خنک سازی را ساده می کند.
محققان راستی آزمایی روش خنک‌سازی را با استفاده از یک سیستم دو یونی با یون‌های کلسیم نشان دادند. آنها به حذف قابل توجه بیش از 96 درصد از گرما از یون محاسباتی از طریق یک تبادل انرژی ساده دست یافتند. این روش بدون توجه به دمای اولیه یون‌های محاسباتی مؤثر بوده و می‌تواند چندین بار تکرار شود.
گرمای بیش از حد در یک سیستم QCCD می تواند خطاهایی را در گیت های کوانتومی ایجاد کند و fidelity عملیات کوانتومی را کاهش دهد. تکنیک خنک‌کننده جدید به این موضوع می‌پردازد و راه را برای محاسبات کوانتومی مطمئن‌تر هموار می‌کند. محققان برای آینده سیستم عاملی را تصور می‌کنند که در آن یون‌های خنک‌شده در یک مخزن در دمای ثابت نگهداری می‌شوند، در حالی که یون‌های محاسباتی بدون پاک کردن داده‌های کوانتومی نگهداری می‌شوند.
آزمایش خنک‌سازی تبادل سریع متکی به یک تله یونی منحصربه‌فرد بود که توسط محققان آزمایشگاه ملی ساندیا ساخته شد. با کنترل دقیق ولتاژها و تولید شکل موج، محققان به کنترل خوبی بر حرکت یون دست یافتند و یون های محاسباتی را با موفقیت خنک کردند.
این پیشرفت در تکنیک های خنک کننده نشان دهنده گام مهمی به سمت کاربردهای عملی محاسبات کوانتومی است. پردازنده تک‌گونه‌ای QCCD که با خنک‌سازی تبادل یونی سریع فعال می‌شود، نویدبخش شبیه‌سازی و محاسبات کوانتومی سریع‌تر است. تحقیقات بیشتر بر روی ساخت یک QCCD متمرکز خواهد شد که این تکنیک خنک‌کننده را در خود جای داده و فرآیند خنک‌سازی را برای حرکت در جهات مختلف فضایی بهینه می‌کند.
منبع
Spencer D. Fallek et al, Rapid exchange cooling with trapped ions, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-45232-z
