De onderzoekers werken bij QuSoft en het Institute of Physics, in de groepen van Rene Gerritsma en Arghavan Safavi-Naini. Het werk, onder leiding van de promovendus Matteo Mazzanti, combineert twee belangrijke ingrediënten. Een daarvan is een zogeheten trapped ion platform, een van de meest veelbelovende kandidaten voor de quantumcomputer, die gebruik maakt van ionen – atomen die ofwel een overschot, ofwel een tekort aan elektronen hebben en die daardoor elektrisch geladen zijn. Het tweede ingrediënt is het gebruik van slimme methodes om de ionen te manipuleren, met behulp van optische pincetten en oscillerende elektrische velden.

Zoals de naam al doet vermoeden gebruikt een trapped-ion-quantumcomputer een kristal van gevangen ionen. Die ionen kunnen individueel bewegen, maar belangrijker: ook als geheel. De collectieve ion-bewegingen die mogelijk zijn blijken de interacties tussen specifieke paren van ionen te vergemakkelijken. In het voorstel wordt dit idee concreet gemaakt door een uniform elektrisch veld over het gehele kristal aan te brengen., om zo de interacties tussen twee gekozen ionen in het kristal over te brengen. De twee ionen worden geselecteerd door pincet-potentialen toe te passen – zie de afbeelding hierboven. De homogeniteit van het elektrische veld zorgt ervoor dat de twee ionen alleen samen met alle andere ionen in het kristal kunnen bewegen. Als gevolg daarvan is er een vaste interactiesterkte tussen de twee gekozen ionen, onafhankelijk van hoe ver ze zich van elkaar bevinden.

Een quantumcomputer bestaat uit ‘poorten’, kleine computationele bouwstenen die het quantum-equivalent uitvoeren van operaties als ‘en’ en ‘of’ die we van gewone computers kennen. In trapped-ion-quantumcomputers werken deze poorten op de ionen, en hangt hun werking af van de interacties tussen die deeltjes. In de voorgestelde constructie betekent het feit dat die interacties niet afhangen van de afstand, dat ook de werkingsduur van een poort niet van die afstand afhangt. De consequentie is dat deze manier van quantumrekenen inherent schaalbaar is, en vergeleken met andere moderne quantumrekentechnieken minder technische uitdagingen oplevert bij het bouwen van vergelijkbaar goed werkende quantumcomputers.

Publication

Trapped Ion Quantum Computing Using Optical Tweezers and Electric Fields, M. Mazzanti, R. X. Schüssler, J. D. Arias Espinoza, Z. Wu, R. Gerritsma, and A. Safavi-Naini, Phys. Rev. Lett. 127 (2021), 260502.