Какие виды ионов используют квантовые компьютеры в ловушке?

Квантовые компьютеры с запертыми ионами являются одними из наиболее перспективных подходов для достижения крупномасштабных квантовых вычислений. Общая идея состоит в том, чтобы закодировать кубиты в электронные состояния каждого иона, а затем управлять ионами с помощью электромагнитных сил.

В этом контексте я часто вижу, что для экспериментальной реализации систем с захваченными ионами используются Operatorname (см., Например, 1803.10238 ). Это всегда так? Если нет, то какие другие виды ионов используются или могут быть использованы для создания этих типов систем с захваченными ионами? Каковы основные характеристики того, что ионы должны быть удобно использованы для создания устройств с захваченными ионами?${}^{40}\!\operatorname{Ca}^+$

$\require{\mhchem}$

Существует почти слишком много видов ионов, которые можно было бы перечислить, которые использовались в квантовых вычислениях на основе ионной ловушки или в связанных экспериментах. Обычным выбором является тот, который при однократной ионизации является водородоподобным, что имеет удобные последствия для их лазерной спектроскопии: затем сильное, обычно $20$Широкий МГц переход лежит в УФ или синем конце спектра, доступного для лазера (а не в вакуумном УФ, как это было бы для ионов, которым требуется более высокая, чем единичная ионизация, чтобы стать водородоподобным). Кроме того, спектр остается относительно простым (если он подобен водороду), то есть существует ограниченное число других состояний, которым может потребоваться собственный лазер в качестве лазера с отражателем. Может быть выгодно иметь одно оптическое метастабильное состояние, для которого требуется лазер с откачкой, потому что его можно использовать при измерениях и подготовке состояний (или, нетипично, для представления одного состояния кубита).

Наконец, вы, как правило (но не всегда), хотите, чтобы ион имел сверхтонкую структуру, потому что это позволяет вам использовать сверхтонкие состояния с небольшим интервалом энергии качестве состояний кубита. Эти состояния выгодны тем, что имеют вековые времена затухания, а это означает, что у вас практически нет декогеренции просто из-за их самопроизвольного затухания (но у вас есть декогеренция от магнитных полей, к которым, однако, хорошо подобранные состояния не имеют линейного и только квадратичного зависимость).$\mathrm{GHz}$

Также удобно иметь ион с малой массой, потому что это позволяет создавать ионную ловушку с более высокими частотами движения (ион сильнее удерживается, если его отношение заряда к массе высокое). Высокие частоты движения подразумевают меньшее (аномальное) нагревание внутри ионной ловушки и возможность более высоких скоростей затвора в кубита.$2$

Одним из самых популярных видов ионов является потому что у вас есть все необходимые лазеры в спектральной области (инфракрасной и видимой), где вы можете построить их с относительной простотой, и есть удобная метастабильность состояние шириной около (и шириной около которое не имеет значения), и оно имеет особенно простую сверхтонкую структуру благодаря своему ядерному спину . почти так же хорош: если вы можете жить, не имея сверхтонкой структуры, имеет одинаково простые требования к лазеру и относительно низкую массу, в то время как ваши лазеры настраиваются на$\ce{^{171}Yb^+}$ 1 н Н г 1 / 2 Са +$1\ \mathrm{Hz}$$1\ \mathrm{nHz}$$1/2$$\ce{Ca^+}$$\ce{^{40}Ca^+}$$\ce{^{43}Ca^+}$Вы получаете сверхтонкую структуру за счет того, что она является довольно сложной из-за ядерного вращения . Некоторые группы стремятся к который что он такой легкий и только лазеров, по существу, с одной и той же длиной волны, хотя и трудной ( ). Многие другие ионы были использованы экспериментально, в том числе , и хорошее описание важных свойств можно найти в «Периодической таблице Иона» Криса Монро .$7/2$$\ce{^9Be^+}$Sr + Hg $313\ \mathrm{nm}$$\ce{Sr^+}$$\require{\mhchem}\ce{Hg^+}$