Cornell: чиповое лазерное охлаждение иона кальция почти до основного состояния за 150 мкс

Исследователи Cornell University под руководством Карана Мехты, доцента кафедры электротехники и вычислительной техники Duffield College of Engineering, разработали метод лазерного охлаждения на чипе. По данным interestingengineering.com, он приводит захваченный ион кальция почти к квантовому основному состоянию примерно за 150 микросекунд interestingengineering.cominterestingengineering.cominterestingengineering.comОткрыть источник ↗. Обычной схеме с бегущей волной лазера требуется около 500 микросекунд, поэтому новый метод примерно втрое быстрее. Работа опубликована в PRX Quantum.

Почему охлаждение — узкое место

Квантовые компьютеры на ионных ловушках хранят и обрабатывают квантовую информацию в заряженных атомах, удерживаемых электромагнитными полями. Нежелательное движение атомов мешает операциям. Поэтому лазерами это движение приходится многократно убирать, охлаждая ионы почти до самого низкого энергетического состояния.

Эти процедуры могут занимать существенную часть рабочего времени квантового компьютера. Мехта отметил, что охлаждение, особенно до квантового основного состояния, стало главным узким местом в ведущих системах на ионных ловушках.

Стоячая волна и EIT-охлаждение на чипе

Команда подаёт лазерный свет через интегрированные оптические компоненты на микроизготовленном чипе-ловушке. Два луча, направленных навстречу друг другу, образуют стоячую волну — чередование областей высокой и низкой интенсивности. Ион кальция помещён в точку низкой интенсивности, узел, что подавляет нежелательные взаимодействия со светом, способные нагревать ион. Эту схему объединили с охлаждением на основе электромагнитно индуцированной прозрачности (EIT) interestingengineering.cominterestingengineering.cominterestingengineering.comОткрыть источник ↗.

Метод одновременно охладил три измеренные моды движения в диапазоне примерно 5 мегагерц, вместо отдельной операции для каждой моды. Целевая мода достигла среднего фононного числа около 0,05. Кроме того, показано охлаждение ниже обычного доплеровского предела, что экспериментально подтвердило давнее теоретическое предсказание.

Чип направляет несколько длин волн, от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной, необходимых для управления ионом. Команда также разработала корпусирование, позволяющее устройству работать при криогенных температурах. Чипы изготовлены на коммерческой основе в Нидерландах в сотрудничестве с ETH Zurich, а установки Cornell помогли подготовить их к экспериментам.

Границы демонстрации

Эксперимент проведён на одном ионе кальция, а не на многоионном квантовом процессоре. Исследователи заявили, что подход можно применить к более крупным системам на ионных ловушках. По их словам, интеграция оптических компонентов в ионные ловушки может уменьшить потребность в сложных внешних лазерных схемах по мере роста числа кубитов interestingengineering.cominterestingengineering.cominterestingengineering.comОткрыть источник ↗.