Некоторые квантовые системы настолько сложны, что даже самые мощные суперкомпьютеры с трудом справляются с их моделированием. Решением может стать квантовое моделирование: создание управляемой квантовой системы в лаборатории и её настройка для имитации изучаемой системы. Об этом сообщает издание Phys.org.
В симуляторе на основе захваченных ионов ряд отдельных заряженных атомов удерживается электрическими полями внутри устройства, называемого ионной ловушкой. Лазеры заставляют ионы взаимодействовать так, чтобы имитировать квантовую систему, а затем исследователи измеряют информацию, закодированную в ионах, чтобы выявить свойства системы.
Гвидо Пагано из Университета Райса вместе с коллегами из Университета Дьюка и Translume Inc. разработал новый тип симулятора на основе захваченных ионов — монолитную сегментированную трёхмерную ионную ловушку. Эта ловушка позволила команде изучать сложные системы с помощью тяжёлых ионов, таких как иттербий. Работа опубликована в Physical Review Applied.
Ионные ловушки с радиочастотными напряжениями обычно делятся на два типа: лезвийные и микрофабрикованные чиповые. Лезвийные ловушки обеспечивают высокую производительность, но ограничены в геометрической точности и трудно воспроизводимы, так как собираются вручную. Чиповые ловушки, как правило, двумерные, обладают большей геометрической точностью, модульностью и лёгкостью воспроизведения, но часто уступают лезвийным по производительности. Монолитные трёхмерные ионные ловушки стремились объединить лучшие черты обоих типов, но до сих пор могли работать только с лёгкими ионами, такими как кальций.
Команда разработала конструкцию, начиная с блока плавленого кварцевого стекла. С помощью лазеров и химикатов они создали каналы для ионов и канавки для электродов, которые устанавливались до покрытия ловушки напылённым золотом. Канавки изолировали электроды, предотвращая короткое замыкание и диэлектрический пробой в вакууме при высоком напряжении.
Первое поколение ловушки вышло из строя из-за серьёзной проблемы с тепловым и электрическим управлением: при подаче радиочастотного напряжения в вакууме ловушка начинала светиться. Второе поколение устранило основные недостатки, но имело проблемы с аксиальным микродвижением и высокими скоростями нагрева ионов. Только третье поколение оказалось жизнеспособным: оно имело лучший радиатор, минимизировало микродвижение и использовало плазменную обработку поверхности для снижения нагрева.
Лаборатория Пагано вместе с коллегами из Дьюка протестировала ловушки и подтвердила, что они работают как задумано, а их поведение согласуется с компьютерными моделями. «Монолитная ловушка делает симуляторы на захваченных ионах более доступными для академических лабораторий», — отметил Роман Журавель, соавтор исследования. Она позволяет упрощать сложные квантовые задачи и открывает новые возможности для учёных.