מחשוב קוונטי נטען מחדש עם חידוש מלכודת יונים אלקטרומגנטית

חוקרים ב-ETH הצליחו ללכוד יונים באמצעות שדות חשמליים ומגנטיים סטטיים ולבצע בהם פעולות קוונטיות. בעתיד, ניתן יהיה להשתמש במלכודות כאלה כדי לממש מחשבים קוונטיים עם הרבה יותר ביטים קוונטיים ממה שהיה אפשרי עד כה.

• שימוש בשדה אלקטרומגנטי מתנודד במלכודות יונים מגביל את המספר הניתן להשגה כיום של קיוביטים במחשבים קוונטיים.
• חוקרים ב-ETH יצרו כעת מלכודת יונים על שבב מיוצר באמצעות שדות סטטיים בלבד – שדה חשמלי ושדה מגנטי – שבו ניתן לבצע פעולות קוונטיות.
• במלכודת זו ניתן להעביר את היונים לכיוונים שרירותיים, וכמה מלכודות כאלה משתלבות על שבב בודד.

מצבי האנרגיה של אלקטרונים ב-an אָטוֹם פעל לפי חוקי מכניקת הקוונטים: הם אינם מופצים ברציפות אלא מוגבלים לערכים מסוימים מוגדרים היטב – זה נקרא גם קוונטיזציה. מצבים קוונטיים כאלה הם הבסיס לסיביות קוונטיות (קיוביטים), איתם רוצים מדענים לבנות מחשבים קוונטיים חזקים במיוחד. לשם כך, יש לקרר את האטומים וללכוד אותם במקום אחד.

ניתן להשיג לכידה חזקה על ידי יינון האטומים, כלומר לתת להם מטען חשמלי. עם זאת, חוק יסוד של אלקטרומגנטיות קובע ששדות חשמליים קבועים בזמן אינם יכולים ללכוד חלקיק טעון בודד. על ידי הוספת שדה אלקטרומגנטי מתנודד, לעומת זאת, מקבלים מלכודת יונים יציבה, המכונה גם מלכודת פול.

כך ניתן היה לבנות בשנים האחרונות מחשבים קוונטיים עם מלכודות יונים המכילות כ-30 קיוביטים. עם זאת, מחשבים קוונטיים גדולים בהרבה לא יכולים להתממש בטכניקה זו. השדות המתנודדים מקשים על שילוב של כמה מלכודות כאלה על שבב אחד, והשימוש בהם מחמם את המלכודת – בעיה משמעותית יותר ככל שהמערכות גדלות. בינתיים, הובלת יונים מוגבלת לעבור לאורך קטעים ליניאריים המחוברים בצלבים.

מלכודת יונים עם שדה מגנטי

צוות חוקרים ב-ETH ציריך בראשותו של Jonathan Home הוכיח כעת שניתן לבנות מלכודות יונים המתאימות לשימוש במחשבים קוונטיים גם באמצעות שדות מגנטיים סטטיים במקום שדות מתנודדים. באותן מלכודות סטטיות בעלות שדה מגנטי נוסף, הנקראות מלכודות Penning, התממשו הן הובלה שרירותית והן הפעולות הדרושות עבור מחשבי העל העתידיים. החוקרים פרסמו לאחרונה את תוצאותיהם בכתב העת המדעי טֶבַע.

"באופן מסורתי, משתמשים במלכודות Penning כאשר רוצים ללכוד הרבה מאוד יונים לצורך ניסויים מדויקים, אבל בלי צורך לשלוט בהם בנפרד", אומר סטודנט לדוקטורט שריאנס ג'יין: "לעומת זאת, במחשבים הקוונטיים הקטנים יותר המבוססים על יונים, מלכודות פול הן בשימוש."

הרעיון של חוקרי ETH לבנות מחשבים קוונטיים עתידיים גם באמצעות מלכודות Penning נתקל בתחילה בספקנות על ידי עמיתיהם. מסיבות שונות: מלכודות פנינג דורשות מגנטים חזקים במיוחד, שהם יקרים מאוד ודי מגושמים. כמו כן, כל ההשגות הקודמות של מלכודות פנינג היו מאוד סימטריות, דבר שהמבנים בקנה מידה שבבים ששימשו ב-ETH מפרים. הכנסת הניסוי בתוך מגנט גדול מקשה על הנחיית קרני הלייזר הנחוצות לשליטה על הקיוביטים לתוך המלכודת, בעוד ששדות מגנטיים חזקים מגדילים את המרווח בין מצבי האנרגיה של הקיוביטים. זה, בתורו, הופך את מערכות הלייזר הבקרה להרבה יותר מורכבות: במקום לייזר דיודה פשוט, יש צורך במספר לייזרים נעולים פאזה.

הובלה בכיוונים שרירותיים

עם זאת, בית ומשתפי הפעולה שלו לא נרתעו מהקשיים הללו, ובנו מלכודת פנינג המבוססת על מגנט מוליך-על ושבב מיקרו-מפריק עם מספר אלקטרודות, שיוצרה ב-Physikalisch-​Technische Bundesanstalt בבראונשווייג. המגנט המשמש מספק שדה של 3 טסלה, חזק כמעט פי 100,000 מהשדה המגנטי של כדור הארץ. באמצעות מערכת של מראות מקוררות קריוגנית, הצליחו חוקרי ציריך לתעל את אור הלייזר הדרוש דרך המגנט אל היונים.

המאמצים השתלמו: יון כלוא בודד, שיכול להישאר במלכודת מספר ימים, ניתן כעת להזיז באופן שרירותי על השבב, ולחבר נקודות "בקו אוויר" על ידי שליטה באלקטרודות השונות – זה משהו שלא היה אפשרי בעבר עם הגישה הישנה המבוססת על שדות מתנודדים. מכיוון שאין צורך בשדות נדנודים ללכידה, ניתן לארוז רבות מהמלכודות הללו על גבי שבב בודד. "ברגע שהם נטענים, נוכל אפילו לבודד לחלוטין את האלקטרודות מהעולם החיצון ובכך לחקור עד כמה היונים מופרעים על ידי השפעות חיצוניות", אומר טוביאס סגסר, שהיה מעורב בניסוי כסטודנט לדוקטורט.

שליטה קוהרנטית של הקוביט

החוקרים גם הוכיחו שניתן לשלוט במצבי האנרגיה הקיוביטים של היון הכלוא תוך שמירה על סופרפוזיציות קוונטיות מכניות. בקרה קוהרנטית עבדה הן עם המצבים האלקטרוניים (הפנימיים) של היון והן עם מצבי התנודה המקודמים (החיצוניים) כמו גם עבור צימוד המצב הקוונטי הפנימי והחיצוני. זה האחרון הוא תנאי מוקדם ליצירת מצבים סבוכים, שחשובים למחשבים קוונטיים.

כשלב הבא, הום רוצה ללכוד שני יונים במלכודות Penning שכנות על אותו שבב ובכך להדגים שניתן לבצע גם פעולות קוונטיות עם מספר קיוביטים. זו תהיה ההוכחה המוחלטת לכך שניתן לממש מחשבים קוונטיים באמצעות יונים במלכודות פנינג. לפרופסור יש גם מחשבות על יישומים אחרים. לדוגמה, מכיוון שניתן להזיז את היונים במלכודת החדשה בצורה גמישה, ניתן להשתמש בהם כדי לחקור שדות חשמליים, מגנטיים או מיקרוגל ליד משטחים. זה פותח את האפשרות להשתמש במערכות אלו כחיישנים אטומיים של תכונות פני השטח.