图像显示了用于控制计算离子和制冷剂离子位置的离子阱。该设备由桑迪亚国家实验室生产。图片来源：桑迪亚国家实验室。
一种新的冷却技术利用单一种类的捕获离子进行计算和冷却，可以简化量子电荷耦合器件（QCCD）的使用，从而有可能使量子计算更接近实际应用。
佐治亚理工学院（GTRI）的科学家使用一种称为快速离子交换冷却的技术，已经证明他们可以通过将相同物种的冷离子移近来冷却钙离子 - 在进行量子计算时获得振动能量。在将能量从热离子转移到冷离子后，制冷剂离子被返回附近的储液器进行冷却以供进一步使用。
该研究发表在 《自然通讯 》杂志上。
QCCD的常规离子冷却涉及使用两种不同的离子种类，冷却离子与不同波长的激光耦合，不会影响用于量子计算的离子。除了控制量子计算操作所需的激光器外，这种交感神经冷却技术还需要额外的激光器来捕获和控制制冷剂离子，这既增加了复杂性，又减慢了量子计算操作的速度。
“我们已经展示了一种新方法，可以在这种有前途的QCCD架构中更快，更简单地冷却离子，”GTRI研究科学家Spencer Fallek说。“快速交换冷却可以更快，因为运输冷却离子比激光冷却两种不同物质所需的时间更少。而且它更简单，因为使用两种不同的物种需要操作和控制更多的激光器。
离子运动发生在一个陷阱中，该陷阱通过精确控制在金触点之间产生电势的电压来维持。但是，从陷阱的一部分移动一个冷原子有点像移动一个底部有大理石的碗。
当碗停止移动时，弹珠必须静止不动，而不是在碗中滚动，GTRI首席研究科学家Kenton Brown解释说，他在量子计算问题上工作了15年以上。
“这基本上就是我们总是试图用这些离子做的事情，当我们将限制电位（就像碗一样）从陷阱中的一个地方移动到另一个地方时，”他说。“当我们完成将限制电位移动到陷阱中的最终位置时，我们不希望离子在电位内移动。
一旦热离子和冷离子彼此靠近，就会发生简单的能量交换，原来的冷离子（现在通过与计算离子的相互作用而被加热）可以被分离并返回到附近的冷却离子库。
到目前为止，GTRI的研究人员已经展示了一个双离子概念验证系统，但表示他们的技术适用于多种计算和冷却离子以及其他离子种类的使用。
一次能量交换从计算离子中去除了超过96%的热量（以102（5）量子测量），这对布朗来说是一个惊喜，他预计可能需要多次相互作用。研究人员通过改变计算离子的起始温度来测试能量交换，发现无论初始温度如何，该技术都是有效的。他们还证明，能量交换操作可以多次进行。
热量（本质上是振动能量）通过计算活动和异常加热（例如离子阱本身不可避免的射频噪声）渗入被捕获的离子系统。布朗说，由于计算离子在冷却时会从这些来源吸收热量，因此去除超过96%的能量将需要更多的改进。
研究人员设想，在操作系统中，冷却的原子将在QCCD操作一侧的储层中可用，并保持在稳定的温度。计算离子不能直接激光冷却，因为这样做会擦除它们所持有的量子数据。
QCCD系统中过热会对量子门的保真度产生不利影响，从而在系统中引入误差。GTRI的研究人员还没有建立一个使用他们的冷却技术的QCCD，尽管这是研究的未来一步。未来的其他工作包括加速冷却过程并研究其沿其他空间方向冷却运动的有效性。
快速交换冷却实验的实验部分以模拟为指导，以预测离子在离子阱内的路径等因素。“我们绝对了解我们在寻找什么，以及我们应该如何根据我们所拥有的理论和模拟来实现它，”布朗说。
独特的离子阱是由桑迪亚国家实验室的合作者制造的。GTRI研究人员使用计算机控制的电压生成卡，能够在陷阱中产生特定的波形，陷阱共有154个电极，其中实验使用了48个。实验在保持在约4开尔文的低温恒温器中进行。
研究人员Spencer Fallek（左）和Kenton Brown展示了用于开发量子器件中离子冷却新技术的设备。图片来源：肖恩·麦克尼尔（Sean McNeil），GTRI
GTRI的量子系统部门（QSD）研究基于单个捕获原子离子的量子计算系统和基于原子系统的新型量子传感器设备。GTRI的研究人员已经设计、制造和演示了许多离子阱和最先进的组件，以支持集成的量子信息系统。开发的技术包括能够将离子精确地输送到需要它们的地方。
“我们可以非常精细地控制离子的移动方式，它们聚集在一起的速度，它们彼此靠近时的电位，以及进行此类实验所需的时间，”Fallek说。
参与该项目的其他GTRI研究人员包括Craig Clark，Holly Tinkey，John Gray，Ryan McGill和Vikram Sandhu。这项研究是与洛斯阿拉莫斯国家实验室合作完成的。
更多信息： Spencer D. Fallek 等人，捕获离子的快速交换冷却， Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-45232-z
期刊信息： Nature Communications