Учёные из «Национального института стандартов и технологий» (National Institute of Standards and Technology — NIST) смогли ускорить ионы бериллия с 0 до 100 километров в час и остановили их за несколько микросекунд. «NIST» физики считают, что их «быстрые» ионы в будущем будут неотъемлемой частью квантовых компьютеров, сообщает «LightNews».
В ионной ловушке, несколько сотен микрометров ионы (электрически заряженные атомы) преодолели в 100 раз быстрее, чем это было возможно ранее. Один ион может преодолеть 370 микрометров за 8 микросекунд, если быть точным — приблизительно 100 миль в час.
Хотя в акселераторах ионы могут пройти расстояние гораздо быстрее, в ионной ловушке «NIST» ионы продемонстрировали отличный контроль управления при быстром ускорении и внезапной остановке. Близкой аналогией является мрамор лежащий на дне чаши. Во время быстрого ускорения чаши, мрамор будет колебаться взад и вперёд относительно центра чаши. Если же чаша вдруг остановится, то мрамор остановится вместе с ней. Кроме того, «NIST» исследователи уверены, что энергетические уровни электронов их атомного мрамора не затрагиваются, что важно для квантового компьютера, где информация хранящаяся в этих энергетических уровнях должна быть перемещена без какой-либо потери информативности.
В квантовом компьютере для решения важных проблем, неразрешимых сегодня, информация, которую несут множество квантовых битов, или кубитов, должна быть перемещена в процессор. С ионными кубитами, это может быть достигнуто путём физического перемещения ионов. В прошлом, перемещение ионов длилось намного дольше, чем продолжительность логических операций на ионы. Теперь эти отрезки времени практически эквивалентны. Это облегчает обработку, позволяя перемещать ионы и подготовить их к повторному использованию гораздо быстрее, чем раньше.
Как описано в журнале «Physical Review Letters», учёные «NIST» охладили захваченные ионы до самого низкого энергетического состояния, и в отдельных экспериментах транспортировали один и два иона на сотни микрометров в многозонной ловушке. Быстрое ускорение возбуждает колебательное движение ионов, которое является нежелательным, но исследователям удалось достаточно хорошо управлять замедлением, чтобы вернуть ионы в исходное квантовое состояние, когда они окончательно остановились. Исследовательская группа из Майнца (Германия) подтвердила эти заявления, предоставив аналогичные результаты.
Секрет скорости и контроля, является пользовательской электроникой. «NIST» исследователь Райан Боулер использовал быстрые«FPGA» (программируемая вентильная матрица) технологии программирования уровней напряжения и продолжительности, применительно к различным электродам в ионной ловушке. Благодаря «плавной» подачи напряжения можно не только очень быстро перемещать ионы, но и в то же время держать их под контролем, не давая им войти в состояние возбуждённости.
Достигнув точности контроля, исследователи считают, что ионы могут быть перемещены ещё быстрее, в последствии возвращаясь к своему первоначальному квантовому состоянию, при котором они останавливаются. Также, исследователи продолжают работать над многими практическими проблемами, такими как подавление нежелательного нагрева при движении ионов от шумных электрических полей в окружающей среде.
Данное исследование финансируется «Intelligence Advanced Research Projects Activity», «National Security Agency», «Office of Naval Research» и «Defense Advanced Research Projects Agency».