Demonstration der zweidimensionalen Konnektivität für eine skalierbare fehlerbereinigte Ionenfallen-Quantenprozessor-Architektur

Ein großes Hindernis für den Bau eines großflächigen Quantencomputers besteht darin, die Anzahl der Qubits zu erhöhen und gleichzeitig die Konnektivität zwischen ihnen aufrechtzuerhalten. In Ionenfallen-Geräten kann diese Konnektivität durch das physische Bewegen von Teilregistern, die aus wenigen Ionen bestehen, über den Prozessor bereitgestellt werden. Die Topologie der Konnektivität ergibt sich aus der Anordnung der Ionenfalle, wobei eindimensionale und zweidimensionale Anordnungen möglich sind. Hier konzentrieren wir uns auf eine Architektur, die auf einem rechteckigen zweidimensionalen Gitter basiert, bei dem jeder Gitterpunkt ein Teilregister mit einer linearen Kette von Ionen enthält. Wir beziehen uns auf diese Architektur als das Quantenfederarray (QSA). Teilregister, die in benachbarten Gitterpunkten platziert sind, können verbunden werden, indem die jeweiligen Ionenketten nahe beieinander gebracht werden, während verhindert wird, dass sie in ein gemeinsames Fangpotential verschmolzen werden. Die Kontrolle über den Abstand der Teilregister entlang einer Achse des Gitters, bekannt als axiale Richtung, erfolgt durch quasi-statische Spannungen, während die zweite Achse, die radiale, die Kontrolle über Hochfrequenzsignale erfordert. In dieser Arbeit untersuchen wir die Schlüsselfaktoren der 2D-Gitter-Quantencomputing-Architektur entlang beider Achsen: Wir zeigen, dass die Kopplungsrate zwischen benachbarten Gitterpunkten mit der Anzahl der Ionen pro Punkt zunimmt und die Bewegung des gekoppelten Systems resistent gegen Rauschen sein kann. Die Kohärenz der Kopplung wird bewertet, und ein verschränktes Zustand von Qubits in separaten Fangregionen entlang der radialen Achse wird demonstriert. Darüber hinaus zeigen wir Kontrolle über Hochfrequenzsignale, um den radialen Abstand zwischen Ketten anzupassen und somit ihre Kopplungsrate zu stimmen. Wir kartieren die 2D-Gitterarchitektur weiter auf Code-Primitiven für fehlerresistente Quantenfehlerkorrektur und bieten einen Schritt in Richtung einer Quantenprozessor-Architektur, die für großflächige fehlerresistente Operationen optimiert ist.