¿Qué tipo de iones usan las computadoras cuánticas de iones atrapados?

Las computadoras cuánticas de iones atrapados se encuentran entre los enfoques más prometedores para lograr la computación cuántica a gran escala. La idea general es codificar los qubits en los estados electrónicos de cada ion, y luego controlar los iones a través de fuerzas electromagnéticas.

En este contexto, a menudo veo que la realización experimental de sistemas de iones atrapados utiliza ${}^{40}\!\operatorname{Ca}^+$ iones (véase, por ejemplo,1803.10238). Este es siempre el caso? Si no, ¿qué otros tipos de iones son o pueden usarse para construir este tipo de sistemas de iones atrapados? ¿Cuáles son las principales características que los iones deben tener para ser utilizados convenientemente para construir dispositivos iónicos atrapados?

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Hay casi demasiadas especies de iones para enumerar que se han utilizado en la computación cuántica basada en trampa de iones o experimentos relacionados. La elección habitual es aquella que, cuando se ioniza individualmente, es similar al hidrógeno, lo que tiene consecuencias convenientes para su espectroscopía láser: luego, una fuerte, típicamente$20$La transición amplia de MHz se encuentra en el extremo UV o azul del espectro accesible por láser (en lugar de en el vacío UV como lo haría para los iones que necesitan una ionización más alta que la simple para convertirse en hidrógeno). Además, el espectro sigue siendo relativamente simple (si es similar al hidrógeno), lo que significa que hay un número limitado de otros estados que pueden necesitar su propio láser como láser de repulsión. Puede ser ventajoso tener un estado metaestable estable que necesite un láser repumper porque puede usarse en mediciones y preparaciones de estado (o, atípicamente, para representar un estado qubit).

Finalmente, normalmente (pero no siempre) quiere un ion que tenga una estructura hiperfina porque le permite usar estados hiperfinos con solo unos pocos$\mathrm{GHz}$ energía como estados qubit. Estos estados son ventajosos porque tienen tiempos de decadencia de un siglo, lo que significa que prácticamente no tiene decoherencia simplemente por su decadencia espontánea (pero sí tiene decoherencia de los campos magnéticos, a los que los estados bien elegidos, sin embargo, no tienen linealidad y solo cuadrática dependencia).

También es conveniente tener un ion de baja masa porque eso le permite construir una trampa de iones con frecuencias de movimiento más altas (el ion está más fuertemente confinado si su relación carga-masa es alta). Las altas frecuencias de movimiento implican menos calentamiento (anómalo) dentro de la trampa de iones y la posibilidad de velocidades compuerta más rápidas de bits.$2$

Una de las especies de iones más populares es porque tiene todos los láseres necesarios en una región espectral (IR y visible) donde puede construirlos con relativa simplicidad y hay un conveniente metaestable estado de aproximadamente ancho (y uno con aproximadamente ancho que es irrelevante), y tiene una estructura hiperfina particularmente simple debido a su espín nuclear de . es casi tan bueno: si puede vivir sin tener una estructura hiperfina, tiene requisitos de láser igualmente simples y una masa relativamente baja mientras ajusta sus láseres para$\ce{^{171}Yb^+}$ 1 n H z 1 / 2 Ca +$1\ \mathrm{Hz}$$1\ \mathrm{nHz}$$1/2$$\ce{Ca^+}$$\ce{^{40}Ca^+}$$\ce{^{43}Ca^+}$obtienes una estructura hiperfina a expensas de que sea bastante complicada debido al giro nuclear de . Algunos grupos persiguen cual es genial por ser tan liviano y por solo necesitar láseres esencialmente a la misma longitud de onda, aunque sea difícil ( ). Muchos otros iones se han utilizado experimentalmente, incluidos , y se puede encontrar una buena representación de las propiedades importantes en la "Tabla periódica de iones" de Chris Monroe .$7/2$$\ce{^9Be^+}$Sr + Hg $313\ \mathrm{nm}$$\ce{Sr^+}$$\require{\mhchem}\ce{Hg^+}$