Jeden ion odhaluje skrytá elektromagnetická pole a posouvá kvantové počítače vpřed

Vědci z ETH Curych vyvinuli novou techniku, která využívá jediný zachycený ion k vytvoření vysoce detailních trojrozměrných map elektromagnetických polí nad povrchem čipu. Tato metoda nabízí inovativní způsob, jak zlepšit hardware pro budoucí kvantové počítače a kvantové senzory.

Vědci z ETH Curych vyvinuli novou techniku, která využívá jediný zachycený ion k vytvoření vysoce detailních trojrozměrných map elektromagnetických polí nad povrchem čipu. Tato metoda nabízí inovativní způsob, jak zlepšit hardware pro budoucí kvantové počítače a kvantové senzory. Umožňuje detekovat extrémně slabá elektrická a magnetická pole, která mohou narušovat křehké kvantové stavy.

Jednou z největších výzev, kterým čelí kvantové počítače s uvězněnými ionty, je elektrický šum generovaný samotnými čipy. I nepatrné elektromagnetické poruchy mohou narušit kvantové stavy, které provádějí výpočty, což snižuje přesnost a spolehlivost celého systému. Nové měření by mohlo inženýrům pomoci identifikovat čistší materiály a výrobní techniky pro kvantová zařízení nové generace ještě před jejich širším použitím.

Tým postavil Penningovu past založenou na čipu, která dokáže volně pohybovat jediným iontem berylia ve třech rozměrech. Na rozdíl od konvenčních iontových pastí, které spoléhají na oscilující radiofrekvenční pole, Penningova past využívá statická elektrická a magnetická pole. Tento design umožňuje vědcům umístit iont s větší flexibilitou, zatímco slabá oscilující pole jsou snáze detekovatelná. Doktorand Tobias Sägesser uvedl, že skupina dříve vyvinula past pro volný pohyb iontů ve třech rozměrech a nejnovější práce tuto schopnost využívá k mapování prostoru nad čipem a vytvoření detailní elektromagnetické mapy.

Proces začíná ochlazením jediného beryliového iontu lasery až do jeho nejnižšího kvantového pohybového stavu. Vědci poté přesouvají iont na různá místa nad čipem úpravou napětí na elektrodách pasti. Zařízení dokáže skenovat oblast o rozměrech 200 x 200 mikrometrů ve výškách od 50 do 450 mikrometrů nad povrchem. Jakmile iont dosáhne měřicího bodu, slabá elektrická pole z čipu postupně zvyšují jeho pohyb uvnitř pasti. Další laserové pulzy odhalují, jak moc se změnil kvantový stav iontu, což vědcům umožňuje vypočítat sílu okolního elektrického pole. Tým dosáhl nejcitlivějšího měření oscilujícího elektrického pole uvnitř čipové pasti, detekoval signál o síle pouhých 10 nanovoltů na metr za jednu sekundu. Pro srovnání, elektromagnetické pole mobilního telefonu zůstává asi 10 000krát silnější i několik kilometrů daleko. Vědci také měřili statická elektrická pole pozorováním, jak bludná pole posunula iont z jeho klidové polohy, a magnetická pole sledováním změn v energetických hladinách iontu.

Profesor Jonathan Home uvedl, že vědci se více než 30 let snažili zjistit, co způsobuje šum elektrického pole v blízkosti kvantových čipů. Nový přístup poskytuje přesná trojrozměrná měření, která mohou výzkumníci přímo porovnávat s teoretickými modely, což usnadňuje identifikaci konkrétních zdrojů interference. Penningova past nabízí další výhodu: vědci ji mohou dočasně odpojit od externích zdrojů napětí, čímž se snižují vnější vlivy, které dříve komplikovaly experimenty. Profesor Home očekává, že se tato technika stane cenným nástrojem pro testování materiálů používaných v kvantových čipech. Inženýři by mohli porovnávat různé povrchové úpravy a výrobní metody, aby identifikovali možnosti, které produkují nejmenší elektrický šum, a pomohli tak zlepšit výkon budoucích kvantových počítačů a technologií kvantového snímání.