Forscher haben eine bahnbrechende Technik entwickelt, die Laser nutzt, um einzelne Qubits aus Barium robuster zu steuern als jede andere derzeit bekannte Methode. Die zuverlässige Steuerung von Qubits ist ein wichtiger Schritt zur Realisierung künftiger funktionsfähiger Quantencomputer.
Die neue Methode, die vom Institute for Quantum Computing (IQC) der University of Waterloo entwickelt wurde, nutzt einen kleinen Glaswellenleiter, um Laserstrahlen zu trennen und sie im Abstand von vier Mikrometern zu fokussieren, was etwa einem Viertel der Breite eines menschlichen Haares entspricht. Die Präzision und der Grad der parallelen Fokussierung jedes Laserstrahls auf das Ziel-Qubit sind in der bisherigen Forschung unerreicht.
Dr. K. Rajibul Islam, Professor am IQC und der Abteilung für Physik und Astronomie der University of Waterloo, sagte: „Unser Design begrenzt das Ausmaß des Übersprechens – die Lichtmenge, die auf benachbarte Ionen fällt – auf eine winzige relative Intensität von 0,01 %, was zu den besten in der Quantenwelt gehört. Im Gegensatz zu früheren Methoden zur agilen Steuerung einzelner Ionen interagieren die faserbasierten Modulatoren nicht miteinander.“
„Das bedeutet, dass wir mit jedem Ion kommunizieren können, ohne seine Nachbarn zu beeinflussen, und gleichzeitig die Kontrolle über jedes Ion maximieren. Nach unserem Wissen ist dies in Wissenschaft und Industrie das flexibelste Ionen-Qubit-Kontrollsystem mit solch hoher Präzision.“
Grüne Laser sind die richtige Energie, um die Energiezustände von Bariumionen zu manipulieren. Quelle: University of Waterloo
Bariumionen: der neue Favorit im Quantencomputing
Bariumionen sind das Ziel von Wissenschaftlern, da sie im Bereich des Quantencomputings mit gefangenen Ionen immer beliebter werden. Bariumionen haben praktische Energiezustände, die als Qubits nullter und erster Ordnung dienen und mit sichtbarem grünem Licht manipuliert werden können, im Gegensatz zu anderen Atomtypen, die für die gleiche Manipulation energiereicheres ultraviolettes Licht benötigen. Dadurch können Forscher kommerziell erhältliche optische Technologien nutzen, die bei ultravioletten Wellenlängen nicht verfügbar sind.
Die Forscher haben einen Wellenleiterchip entwickelt, der einen Laserstrahl in 16 verschiedene optische Kanäle aufteilt. Jeder Kanal wird dann an unabhängige faserbasierte Modulatoren weitergeleitet, die eine flexible Steuerung der Intensität, Frequenz und Phase jedes Laserstrahls unabhängig voneinander ermöglichen. Der Laserstrahl wird dann mithilfe einer Reihe teleskopartiger optischer Linsen auf eine kleine Entfernung fokussiert. Die Forscher bestätigten ihre Fokussierung und Kontrolle, indem sie jeden Laserstrahl mit präzisen Kamerasensoren vermessen.
Diese Arbeit ist Teil der Bemühungen der University of Waterloo, einen Bariumionen-Quantenprozessor unter Verwendung atomarer Systeme zu bauen, sagte Dr. Crystal Senko, Co-Hauptforscherin des Islam, IQC und Fakultätsmitglied in der Abteilung für Physik und Astronomie der University of Waterloo. „Wir verwenden Ionen, weil es sich um identische, natürlich hergestellte Qubits handelt, die wir also nicht herstellen müssen. Unsere Aufgabe ist es, Wege zu finden, sie zu kontrollieren.“
Der innovative Wellenleiteransatz demonstriert eine einfache, aber präzise Steuerungsmethode und weckt Hoffnungen auf die Manipulation von Ionen zur Kodierung und Verarbeitung von Quantendaten sowie auf Anwendungen in Quantensimulationen und -computern.