Une nouvelle technique de refroidissement qui utilise une seule espèce d'ion piégé pour le calcul et le refroidissement pourrait simplifier l'utilisation de dispositifs à couplage de charge quantique (QCCD), rapprochant potentiellement l'informatique quantique des applications pratiques.

En utilisant une technique appelée refroidissement rapide par échange d'ions, des scientifiques du Georgia Tech Research Institute (GTRI) ont montré qu'ils pouvaient refroidir un ion calcium (qui gagne de l'énergie vibratoire lors des calculs quantiques) en déplaçant un ion froid de la même espèce à proximité. . Après avoir transféré l'énergie de l'ion chaud à l'ion froid, l'ion réfrigérant est renvoyé vers un réservoir voisin pour être refroidi en vue d'une utilisation ultérieure.

La recherche est rapportée dans la revue Nature Communications .

Le refroidissement ionique conventionnel pour les QCCD implique l'utilisation de deux espèces d'ions différentes, avec des ions de refroidissement couplés à des lasers d'une longueur d'onde différente qui n'affectent pas les ions utilisés pour l'informatique quantique. Au-delà des lasers nécessaires pour contrôler les opérations informatiques quantiques, cette technique de refroidissement sympathique nécessite des lasers supplémentaires pour piéger et contrôler les ions réfrigérants, ce qui augmente la complexité et ralentit les opérations informatiques quantiques.

"Nous avons montré une nouvelle méthode permettant de refroidir les ions plus rapidement et plus simplement dans cette architecture QCCD prometteuse", a déclaré Spencer Fallek, chercheur au GTRI. "Le refroidissement par échange rapide peut être plus rapide car le transport des ions de refroidissement nécessite moins de temps que le refroidissement laser de deux espèces différentes. Et c'est plus simple car l'utilisation de deux espèces différentes nécessite d'utiliser et de contrôler plus de lasers."

Le mouvement des ions s'effectue dans un piège maintenu par un contrôle précis des tensions qui créent un potentiel électrique entre les contacts en or. Mais déplacer un atome froid d'une partie du piège, c'est un peu comme déplacer un bol avec une bille au fond.

Lorsque le bol s'arrête de bouger, la bille doit devenir stationnaire et ne pas rouler dans le bol, a expliqué Kenton Brown, chercheur principal au GTRI qui travaille sur les questions d'informatique quantique depuis plus de 15 ans.

"C'est essentiellement ce que nous essayons toujours de faire avec ces ions lorsque nous déplaçons le potentiel de confinement, qui est comme le bol, d'un endroit à un autre dans le piège", a-t-il déclaré. "Lorsque nous avons fini de déplacer le potentiel de confinement vers l'emplacement final du piège, nous ne voulons pas que l'ion se déplace à l'intérieur du potentiel."

Une fois que l’ion chaud et l’ion froid sont proches l’un de l’autre, un simple échange d’énergie a lieu et l’ion froid d’origine – maintenant chauffé par son interaction avec un ion informatique – peut être séparé et renvoyé dans un réservoir voisin d’ions refroidis. /P>

Les chercheurs du GTRI ont jusqu'à présent démontré un système de validation de principe à deux ions, mais affirment que leur technique est applicable à l'utilisation de plusieurs ions de calcul et de refroidissement, ainsi que d'autres espèces d'ions.

Un seul échange d'énergie a éliminé plus de 96 % de la chaleur (mesurée en 102(5) quanta) de l'ion informatique, ce qui a été une agréable surprise pour Brown, qui s'attendait à ce que de multiples interactions soient nécessaires. Les chercheurs ont testé l’échange d’énergie en faisant varier la température de départ des ions informatiques et ont constaté que la technique est efficace quelle que soit la température initiale. Ils ont également démontré que l'opération d'échange d'énergie peut être effectuée plusieurs fois.

La chaleur – essentiellement l’énergie vibratoire – s’infiltre dans le système d’ions piégés à la fois par l’activité informatique et par un échauffement anormal, tel qu’un bruit radiofréquence inévitable dans le piège à ions lui-même. Étant donné que l'ion informatique absorbe la chaleur de ces sources même lorsqu'il est refroidi, l'élimination de plus de 96 % de l'énergie nécessitera davantage d'améliorations, a déclaré Brown.

Les chercheurs envisagent que dans un système d’exploitation, des atomes refroidis seraient disponibles dans un réservoir à côté des opérations QCCD et maintenus à une température constante. Les ions informatiques ne peuvent pas être directement refroidis par laser, car cela effacerait les données quantiques qu'ils contiennent.

Une chaleur excessive dans un système QCCD affecte négativement la fidélité des portes quantiques, introduisant des erreurs dans le système. Les chercheurs du GTRI n’ont pas encore construit de QCCD utilisant leur technique de refroidissement, bien qu’il s’agisse d’une étape future de la recherche. D'autres travaux à venir incluent l'accélération du processus de refroidissement et l'étude de son efficacité pour refroidir le mouvement dans d'autres directions spatiales.

La composante expérimentale de l'expérience de refroidissement par échange rapide a été guidée par des simulations réalisées pour prédire, entre autres facteurs, les chemins que les ions emprunteraient au cours de leur voyage dans le piège à ions. "Nous avons définitivement compris ce que nous recherchions et comment y parvenir, sur la base de la théorie et des simulations dont nous disposions", a déclaré Brown.

Le piège à ions unique a été fabriqué par des collaborateurs des laboratoires nationaux Sandia. Les chercheurs du GTRI ont utilisé des cartes de génération de tension contrôlées par ordinateur capables de produire des formes d'onde spécifiques dans le piège, qui compte un total de 154 électrodes, dont 48 pour l'expérience. Les expériences ont eu lieu dans un cryostat maintenu à environ 4 degrés Kelvin. P>

La division des systèmes quantiques (QSD) du GTRI étudie les systèmes informatiques quantiques basés sur des ions atomiques individuels piégés et de nouveaux dispositifs de capteurs quantiques basés sur des systèmes atomiques. Les chercheurs du GTRI ont conçu, fabriqué et démontré un certain nombre de pièges à ions et de composants de pointe pour prendre en charge les systèmes d'information quantiques intégrés. Parmi les technologies développées figure la capacité de transporter avec précision les ions là où ils sont nécessaires.

"Nous contrôlons très finement la façon dont les ions se déplacent, la vitesse à laquelle ils peuvent être rassemblés, le potentiel dans lequel ils se trouvent lorsqu'ils sont proches les uns des autres et le timing nécessaire pour réaliser des expériences comme celle-ci", a déclaré Fallek.

Parmi les autres chercheurs du GTRI impliqués dans le projet figuraient Craig Clark, Holly Tinkey, John Gray, Ryan McGill et Vikram Sandhu. La recherche a été réalisée en collaboration avec le Laboratoire national de Los Alamos.

Plus d'informations : Spencer D. Fallek et al, Refroidissement par échange rapide avec ions piégés, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-024-45232-z

Informations sur le journal : Communications naturelles

Fourni par l'Institut de technologie de Géorgie