Ionenbasiertes Quanten-Computing mit dem Paladin-Laser von Coherent

Die Quanteninformationstechnologie hat das Potenzial, die Computer-, Kryptografie- und Sensortechnologie zu revolutionieren, indem sie die einzigartigen Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um Probleme zu lösen, die außerhalb der Reichweite von klassischen Systemen liegen. Nach den ersten Ideen zur Verwendung der Quantenmechanik für die Berechnung durch Richard Feynman in den 1980er Jahren wurde das öffentliche Interesse 1994 geweckt, als Peter Shor einen Algorithmus zur Berücksichtigung großer Stückzahlen einführte, der die Grundlage für die moderne Kryptografie bildet. Er zeigte, dass ein Quantenalgorithmus exponentiell schneller funktioniert als herkömmliche Methoden, die es ermöglichen, die moderne RSA-Resonanz zu unterbrechen. Ab diesem Zeitraum nahm der technologische Fortschritt zu und es wurden weitere Algorithmen und Anwendungen entwickelt, deren Potenzial die wissenschaftliche und industrielle Entwicklung vorangetrieben hat. Die heutigen Finanzmarktanalysten prognostizieren eine Marktgröße von mehreren Milliarden Dollar, die mit globalen Bundesgeldern für die Entwicklung von Quantencomputern und der zunehmenden Anzahl von Start-up-Unternehmen verbunden ist.

In einem Quantencomputer basiert die Berechnungsleistung hauptsächlich auf der Quantenüberlagerung und Verschränkung, um komplexe Probleme viel schneller und effizienter zu lösen als bei herkömmlichen Computern. Die grundlegende Informationseinheit wird durch Quantenbits dargestellt, die in Energieniveaus von Quantensystemen wie Atomen kodiert sind und die sich in jeder beliebigen Superposition zwischen 0 und 1 im Gegensatz zum klassischen Bit befinden können. Eine der vielversprechendsten Plattformen von heute für die Implementierung eines Quantencomputers basiert auf eingeschlossenen Ionen. Pionierarbeit auf diesem Gebiet wird seit mehr als 30 Jahren von Dr. --- --- Monroe geleistet. Er ist Professor in den Departments of Electrical and Computer Engineering and Physics an der Duke University, Direktor des Duke Quantum Center  und Mitbegründer und Chief Science Advisor von IonQ, einem Branchenführer und dem ersten Public Company in Quantencomputern.

QUANTENBERECHNUNG MIT YTTERBIUM-IONEN

Mit seiner hochmodernen Technologie ist es heute möglich, Ionenketten bis zu 80 Ionen einzufangen, die optisch durch Laser für Ionisierungsprozesse, Laserkühlung und den kohärenten Betrieb der Qubit-Übergänge manipuliert werden. Von allen verschiedenen Atomarten bietet Ytterbium eine wasserstoffähnliche elektronische Struktur, wenn es auf 171Yb+ ionisiert wird, auch mit Atomübergängen, die mit handelsüblichem Laser gefahren werden können. Aufgrund der Spinstruktur des Atoms bieten die hyperfeinen Grundzustände einen Uhrenzustand mit einer endlos langen Kohärenzzeit, was ihn ideal als Qubit für die Berechnung macht. Anstatt diesen Übergang von ~12,642812429 GHz direkt mit einer Mikrowellenquelle anzutreiben, verwendet Dr. Monroe einen stimulierten Zwei-Photonen-Raman-Übergang bei einer Laserwellenlänge von 355 nm, da der höhere Gradient des elektrischen Laser Feldes im Vergleich zum  Mikrowellenfeld die Dynamik einfacher auf einzelne Ionen in der Lieferkette übertragen kann, was die Steuerung ihrer Bewegungszustände ermöglicht. Die Anwendung dieser Raman-Übergänge auf viele Ionen in einer maßgeschneiderten Sequenz koppelt das Uhrenqubit der Ionen mit ihrer Bewegung, um Quantengatter zu erzeugen, die Verschränkungen erzeugen können. Zusammen mit Single-Qubit-Vorgängen bietet dies einen Satz für das universelle Quantencomputern.

VOLLSTÄNDIGE KOHÄRENTE KONTROLLE DER QUBITS MIT DEM PALADIN-LASER

Kontrollierte Qubit-Rotationen erfordern optische Kohärenz zwischen den beiden Raman-Strahlen. Anstatt zwei phasengekoppelte cw-Laser zu verwenden, die eine hohe technische Nachfrage erfordern, um die Phasenkohärenz aufrechtzuerhalten, war Dr. Monroe stattdessen Pionier für den Einsatz modengekoppelter Laser für den Auftrag und der Paladin-Laser von Coherent war die perfekte Wahl. Als modengekoppelter Laser mit Pikosekunden-Pulsbreite wird er als optischer Frequenzkamm mit intrinsischer relativer Phasenkohärenz aller Kämmezähne verwendet. Der Paladin-Laser treibt den Qubit-Übergang durch die Interferenz zweier überlappter Kämmezähne voran, die bei der Qubit-Teilung eine Herzschlagnotiz erzeugen. Da die Herzschlagnotiz von der freilaufenden Wiederholrate des Paladin-Laser abhängt, muss sie phasengekoppelt werden, um mit dem Qubit-Übergang resonant zu sein. In der Arbeit „Beat Note Stabilisierung of mode-locked lasers for quantum information processing“ zeigt Dr. Monroe, wie die Wiederholrate und damit die Herzschlagnotiz zur Resonanz des Qubit-Übergangs stabilisiert werden kann, ohne dass ein Signal direkt in das Paladin-Lasersystem eingekoppelt werden muss. Stattdessen wird die Herzschlag-Notiz-Frequenz zwischen den beiden Kammzähnen mit einer Vorwärtsphasenverriegelung stabilisiert, die jede Abweichung in der gemessenen Wiederholrate mit einem akusto-optischen Modulator korrigiert.

Mit einer durchschnittlichen Leistung von 4W liefert der Paladin-Laser genügend Leistung, um Hunderte von Ionen zu unterstützen, die im System angesprochen werden, wenn sie von einer geeigneten Optiken begleitet werden. Weitere kritische Strahlparameter, um die Kohärenz des Qubit-Übergangs aufrechtzuerhalten, da die Strahlintensität und die Schwankungen der Strahlausrichtung auch extern stabilisiert werden. Die Stabilisierungen aller drei Parameter außerhalb des Paladin-Lasersystem beweisen die Anwendbarkeit eines industriellen Laser für die technisch anspruchsvolle kohärente Qubit-Steuerung bei der Quantenberechnung mit eingeschlossenen Ionen.

INDUSTRIEERPROBTE LASERZUVERLÄSSIGKEIT

Da der Paladin-Laser die zentrale Rolle bei der Durchführung beliebiger Quantenberechnungen spielt, ist neben der Anwendbarkeit Zuverlässigkeit der wichtigste Faktor. In der Vergangenheit basierten die Arbeiten an Quantencomputern auf der Entwicklung der Hardware im Zusammenhang mit der Quantenphysik und dominierten von komplexen Laboreinrichtungen, die unter instabilen Laser litten, die regelmäßige Neuausrichtungen erforderten. Heutzutage besteht die Herausforderung in der Entwicklung der Systeme, um sie auf kommerziell erhältliche und industrielle Fertigungssysteme zu skalieren, die stabile und zuverlässige Laser enthalten. Der Paladin-Laser erfüllt diese Anforderungen als relativ einfacher, aber extrem zuverlässiger, leistungsstarker und stabiler Laser. Es ist ein Beispiel für bewährte Technologie, die auf langjähriger Erfahrung im Bau zuverlässiger UV-Laser bei Coherent basiert und es Dr. Monroe ermöglicht, sich auf die Ausführung von Quantenalgorithmen und Simulationen zu konzentrieren, anstatt Zeit mit der Fehlerbehebung am Laser zu verbringen.

Obwohl der Paladin-Laser von Coherent möglicherweise nicht der ultimative Laser ist, der in einen zukünftigen kommerziell nützlichen Quantencomputer integriert ist, unterstützt sein branchenführendes Konzept heute die Entwicklung von Quantencomputern. Tatsächlich haben viele kommerzielle Quantencomputersysteme von IonQ einen Paladin-Laser von Coherent in ihrem Herzen. Mit der hervorragenden Zuverlässigkeit des Laser als zentrales Betriebselement für die Quantencomputer mit eingeschlossenen Ytterbium-Ionen wird dieses Erfolgsmodell jetzt auch auf andere Atomarten für die Quantenberechnung angewendet, z. B. auf Barium-Ionen, die gut zu dem Paladin-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm passen.

REFERENZEN

1. R. Islam, W. C. Campclell, T. Choi, S. M. Alex, S. Debnath, E. E. E. E. Ewards, B. Fields, D. Hayes, D. Hucul, I. V. Inlek, K. G. Johnson, S. Korenblit, A. Lee, K. W. Lee, T. A. Manning, D. N. Matsukevich, J. Mizrahi, Q. Quraishi, C. Senko, J. Smith und C. Monroe Beat notieren die Stabilisierung modengekoppelter Laser für Optics Letters zur Quanteninformationsbearbeitung, 39, 11 (2014)