Ο παγιδευμένος κβαντικός υπολογιστής ιόντων γυρίζει 25

Είναι δύσκολο να ορίσουμε μια καθορισμένη ημερομηνία για να σηματοδοτήσουμε την αρχή του πεδίου της κβαντικής πληροφορικής. Κάποιοι μπορεί να το εντοπίσουν στο διάσημο έγγραφο του Richard Feynman από τις αρχές της δεκαετίας του 1980, άλλοι ίσως προτιμούν να ξεκινήσουν με τον κβαντικό αλγόριθμο του Peter Shor το 1994 για παραγοντοποίηση ή παλαιότερους αλγόριθμους που αναπτύχθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1990. Αλλά όταν πρόκειται για την πρώτη αντίληψη για το πώς να δημιουργήσετε πραγματικά έναν κβαντικό υπολογιστή, ένα αποτέλεσμα ξεχωρίζει. Στις 15 Μαΐου 1995, δημοσιεύθηκε ένα έγγραφο από τους Ignacio Cirac και Peter Zoller στο Physical Reviews Letters . Έδειξε ότι τα ατομικά ιόντα, παγιδευμένα σε κενό και ψύχθηκαν χρησιμοποιώντας λέιζερ, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως qubits με τα οποία θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν στοιχειώδεις κβαντικές λογικές λειτουργίες. Το χαρτί Cirac – Zoller μετέτρεψε τον κβαντικό υπολογισμό από μια τολμηρή θεωρητική ιδέα σε έναν πειραματικό αγώνα για την κατασκευή μιας πραγματικής συσκευής. Στο Διεθνές Συνέδριο για την Ατομική Φυσική το 1994, οι φυσικοί μοιράστηκαν τον ενθουσιασμό για τον πρόσφατα δημοσιευμένο αλγόριθμο του Shor και τις δυνατότητες που προσφέρει ένας κβαντικός υπολογιστής. Ο Artur Ekert, ένας από τους πρωτοπόρους της κβαντικής κρυπτογραφίας, αμφισβήτησε τους ατομικούς φυσικούς: πώς μπορούμε να οικοδομήσουμε ένα; Τα πρώτα υποψήφια qubits ήταν φωτόνια, αλλά για να εκτελέσουν λειτουργίες δύο-qubit, απαραίτητα για τον κβαντικό υπολογισμό, τα qubits πρέπει να αλληλεπιδράσουν και τα φωτόνια δεν είναι αλληλεπιδρώντας. Οι Cirac και Zoller πρότειναν μια διαφορετική διαδρομή: ιόντα. Η παγίδευση ιόντων και η ψύξη ήταν γνωστές τεχνολογίες, επιτρέποντας στα ιόντα να απομονωθούν από το περιβάλλον και η κίνησή τους να παγώσει. Τα εσωτερικά επίπεδα ενέργειας του ιόντος θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κωδικοποίηση των δύο καταστάσεων του qubit. Αυτά θα μπορούσαν να χειραγωγηθούν και να διαβαστούν με συναρπαστικό τις ατομικές μεταβάσεις χρησιμοποιώντας λέιζερ. Όλα αυτά τα συστατικά υποσχέθηκαν ένα καθαρό, ελεγχόμενο σύνολο qubits έτοιμο για εκτέλεση κβαντικών λειτουργιών. «Ήταν μια υπέροχη στιγμή που διήρκεσε περίπου 3 μήνες και πραγματικά απολαύσαμε να δούμε πώς διαφορετικά κομμάτια ενώθηκαν», θυμούνται οι Cirac και Zoller. Αλλά ένα κρίσιμο συστατικό έλειπε: μια πύλη δύο qubit, πιο συγκεκριμένα, μια πύλη ελεγχόμενης-ΔΕΝ, η οποία αντιστρέφει την κατάσταση ενός qubit ανάλογα με την κατάσταση ενός άλλου (ελέγχου) qubit. Για να συνειδητοποιήσουμε μια τέτοια πύλη, χρειαζόταν ένας τρόπος μεταφοράς πληροφοριών μεταξύ qubits. μια πύλη ελεγχόμενης-ΔΕΝ, η οποία αντιστρέφει την κατάσταση ενός qubit ανάλογα με την κατάσταση ενός άλλου (ελέγχου) qubit. Για να συνειδητοποιήσουμε μια τέτοια πύλη, χρειαζόταν ένας τρόπος μεταφοράς πληροφοριών μεταξύ qubits. μια πύλη ελεγχόμενης-ΔΕΝ, η οποία αντιστρέφει την κατάσταση ενός qubit ανάλογα με την κατάσταση ενός άλλου (ελέγχου) qubit. Για να συνειδητοποιήσουμε μια τέτοια πύλη, χρειαζόταν ένας τρόπος μεταφοράς πληροφοριών μεταξύ 

«Μετά από αρκετές προσπάθειες, καταλήξαμε σε μια ιδέα να το κάνουμε χρησιμοποιώντας το« phonon bus », το οποίο είναι ένα σύνολο βαθμών ελευθερίας που μοιράζονται όλα τα qubits, κάτι που χρησιμοποιείται τώρα και με άλλες πλατφόρμες», θυμούνται οι Cirac και Zoller . Χρησιμοποιώντας λέιζερ, τα εσωτερικά επίπεδα ενέργειας των ιόντων μπορούν να συζευχθούν με τους εξωτερικούς κινητικούς βαθμούς ελευθερίας (ο τηλεφωνικός δίαυλος) που είναι κοινός για τα ιόντα που παγιδεύονται μεταξύ τους. Με αυτόν τον τρόπο, οι πληροφορίες θα μπορούσαν να κοινοποιηθούν μεταξύ διαφορετικών ιόντων και θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν υπό όρους λειτουργίες όπως η πύλη ελεγχόμενης-ΔΕΝ. Μέχρι το τέλος του 1995, ερευνητές στο NIST είχαν ήδη εφαρμόσει τις ιδέες του Cirac και του Zoller και έδειξαν μια πύλη ελεγχόμενης ΔΕΔ με δύο qubit χρησιμοποιώντας ιόντα βηρυλλίου. Από εκεί, η τεχνολογία εξελίχθηκε γρήγορα και σήμερα η τελευταία λέξη της τεχνολογίας είναι εκατοντάδες πύλες και δεκάδες ιόντα.