Welche Arten von Ionen verwenden Quantencomputer mit eingefangenen Ionen?

Eingeschlossene Ionenquantencomputer gehören zu den vielversprechendsten Ansätzen, um eine Quantenberechnung in großem Maßstab zu erreichen. Die allgemeine Idee besteht darin, die Qubits in die elektronischen Zustände jedes Ions zu codieren und die Ionen dann über elektromagnetische Kräfte zu steuern.

In diesem Zusammenhang sehe ich oft, dass bei der experimentellen Realisierung von eingeschlossenen Ionensystemen -Ionen verwendet werden (siehe z . B. 1803.10238 ). Ist das immer so? Wenn nicht, welche anderen Arten von Ionen sind oder können verwendet werden, um diese Art von eingeschlossenen Ionensystemen aufzubauen? Was sind die Hauptmerkmale, die die Ionen haben müssen, um bequem eingeschlossene Ionenvorrichtungen zu bauen?${}^{40}\!\operatorname{Ca}^+$

$\require{\mhchem}$

Es gibt fast zu viele Ionenspezies, um sie aufzulisten, die in Quantencomputern auf der Basis von Ionenfallen oder verwandten Experimenten verwendet wurden. Die übliche Wahl ist eine, die, wenn sie einfach ionisiert ist, wasserstoffähnlich ist, was bequeme Konsequenzen für ihre Laserspektroskopie hat: Dann eine starke, typischerweise$20$Der MHz-weite Übergang liegt im UV- oder blauen Ende des laserzugänglichen Spektrums (und nicht im Vakuum-UV-Bereich, wie dies bei Ionen der Fall wäre, die eine höhere Ionisierung als eine einzelne Ionisierung benötigen, um wasserstoffähnlich zu werden). Außerdem bleibt das Spektrum relativ einfach (wenn es wasserstoffähnlich ist), was bedeutet, dass es eine begrenzte Anzahl anderer Zustände gibt, die möglicherweise einen eigenen Laser als Repumperlaser benötigen. Es kann vorteilhaft sein, einen optischen metastabilen Zustand zu haben, der einen Repumper-Laser benötigt, da dieser bei Messungen und Zustandsvorbereitungen verwendet werden kann (oder atypisch einen Qubit-Zustand darstellt).

Schließlich möchten Sie normalerweise (aber nicht immer) ein Ion mit einer Hyperfeinstruktur, da Sie damit Hyperfeinzustände mit nur wenigen -Energieabständen als Qubit-Zustände verwenden können. Diese Zustände sind vorteilhaft, weil sie jahrhundertelange Abklingzeiten haben, was bedeutet, dass Sie praktisch keine Dekohärenz nur aufgrund ihres spontanen Zerfalls haben (aber Sie haben eine Dekohärenz von Magnetfeldern, zu denen gut ausgewählte Zustände jedoch keine linearen und nur quadratischen Zustände haben Abhängigkeit).$\mathrm{GHz}$

Es ist auch praktisch, ein Ion mit geringer Masse zu haben, da Sie so eine Ionenfalle mit höheren Bewegungsfrequenzen bauen können (das Ion ist stärker begrenzt, wenn sein Verhältnis von Ladung zu Masse hoch ist). Hohe Bewegungsfrequenzen bedeuten weniger (anomale) Erwärmung in der Ionenfalle und die Möglichkeit schnellerer Qubit-Gate-Geschwindigkeiten.$2$

Eine der beliebtesten Ionenspezies ist da Sie alle erforderlichen Laser in einem Spektralbereich (IR und sichtbar) haben, in dem Sie sie relativ einfach erstellen können, und es gibt einen praktischen Metastabil Zustand von ungefähr Breite (und einer mit ungefähr Breite, der irrelevant ist), und es hat eine besonders einfache Hyperfeinstruktur aufgrund seines Kernspins von . ist fast genauso gut: Wenn Sie ohne Hyperfeinstruktur leben können, hat ebenso einfache Laseranforderungen und eine relativ geringe Masse, während Sie Ihre Laser auf abstimmen$\ce{^{171}Yb^+}$$1\ \mathrm{Hz}$$1\ \mathrm{nHz}$$1/2$$\ce{Ca^+}$$\ce{^{40}Ca^+}$$\ce{^{43}Ca^+}$Sie erhalten eine Hyperfeinstruktur auf Kosten einer ziemlich komplizierten Struktur aufgrund des Kernspins von . Einige Gruppen verfolgen was cool ist, weil es so leicht ist und nur Laser mit im Wesentlichen derselben Wellenlänge benötigt, wenn auch eine schwierige ( ). Viele andere Ionen wurden experimentell verwendet, einschließlich , und eine gute Darstellung der wichtigen Eigenschaften findet sich in Chris Monroes "Ionenperiodensystem" .$7/2$$\ce{^9Be^+}$$313\ \mathrm{nm}$$\ce{Sr^+}$$\require{\mhchem}\ce{Hg^+}$