ES2967984T3 - Enfriamiento eficiente de cadenas de iones para informática cuántica - Google Patents
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Abstract
La divulgación describe varios aspectos de técnicas para enfriar una cadena de iones hasta cerca del estado fundamental combinado que no crece con el número de iones en la cadena. Al abordar cada ion individualmente y utilizar cada ion para enfriar un modo de movimiento diferente, es posible enfriar los modos de movimiento simultáneamente. Por ejemplo, se puede enfriar al mismo tiempo un tercio del total de modos de movimiento. En un aspecto, las técnicas incluyen generar un rayo láser de enfriamiento de banda lateral para cada ion en la cadena de iones, enfriar simultáneamente dos o más modos de movimiento asociados con los iones en la cadena de iones usando el respectivo rayo láser de enfriamiento de banda lateral hasta que cada uno de los dos o más Los modos de movimiento alcanzan un estado fundamental de movimiento y realizan un cálculo cuántico utilizando la cadena de iones después de que dos o más modos de movimiento hayan alcanzado el estado fundamental de movimiento. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Enfriamiento eficiente de cadenas de iones para informática cuántica
Antecedentes de la descripción
Aspectos de la presente descripción generalmente se relacionan con sistemas cuánticos, y más específicamente, con el enfriamiento eficiente de cadenas de iones utilizadas para bits cuánticos atómicos (qubits) en informática cuántica.
Los átomos atrapados son una de las principales implementaciones para el procesamiento de información cuántica. Los qubits basados en átomos pueden ser utilizados como memorias cuánticas, como compuertas cuánticas en ordenadores y simuladores cuánticos, y pueden actuar como nodos para redes de comunicación cuántica.
Realizar puertas de entrelazamiento entre qubits físicos en una cadena de iones es necesario para habilitar la informática cuántica a gran escala. Con este fin, la informática cuántica con iones atómicos atrapados (qubits) utilizan el movimiento combinado de los iones para crear las compuertas de entrelazamiento. Dado que el estado de movimiento inicial afecta la operación de la compuerta, los iones suelen ser enfriados primero hasta cerca del estado de movimiento fundamental al comienzo o durante (si se utiliza enfriamiento simpático) la informática cuántica. El número de modos de movimiento que necesitan ser enfriados es proporcional al número de iones. Tradicionalmente, los modos de movimiento se enfrían de forma secuencial, es decir, un siguiente modo de movimiento se enfría solo después de que el modo de movimiento anterior haya sido enfriado. A medida que aumenta el número de iones atómicos, esto provoca que el tiempo total de enfriamiento se alargue.
A medida que el proceso de enfriamiento se vuelve más largo, el calentamiento de los modos de movimiento debido a las fluctuaciones del campo eléctrico en los electrodos de la trampa de iones puede generar ruido que luego puede superar el proceso de enfriamiento. Por lo tanto, resulta ventajoso implementar métodos de enfriamiento más rápidos. En consecuencia, se desean técnicas que permitan un enfriamiento más eficiente de las cadenas de iones. El documento de H. Rohde y otros, "Sympathetic ground state cooling and coherent manipulation with two-ioncrystals", Biblioteca de la Universidad de Cornell, arXiv:quant-ph/0009031v1, 8 de septiembre de 2000, describe el enfriamiento de un cristal de dos iones al estado fundamental de sus modos colectivos de movimiento.
Resumen de la descripción
Lo siguiente presenta un resumen simplificado de uno o más aspectos con el fin de proporcionar una comprensión básica de dichos aspectos. Este resumen no es una visión general exhaustiva de todos los aspectos contemplados, y no tiene la intención de identificar elementos clave o críticos de todos los aspectos ni delinear el alcance de ninguno o todos los aspectos. Su propósito es presentar algunos conceptos de uno o más aspectos de forma simplificada como preludio a la descripción más detallada que se presenta posteriormente.
La descripción describe técnicas para enfriar una cadena de iones hasta cerca del estado fundamental de movimiento combinado que no crece en tiempo de ejecución con el número de iones. Al abordar cada ion individualmente y utilizar cada ion para enfriar un modo de movimiento diferente, es posible enfriar simultáneamente múltiples modos de movimiento. En un ejemplo, es posible enfriar simultáneamente un tercio de los modos de movimiento totales. En otros ejemplos, se puede enfriar un número diferente de los modos de movimiento totales. En un aspecto de la descripción, se describe un método para enfriar una cadena de iones que tiene múltiples iones, que incluye generar un haz láser de enfriamiento de banda lateral para cada ion en la cadena de iones; enfriar simultáneamente dos o más modos de movimiento asociados con los iones en la cadena de iones utilizando el respectivo haz láser de enfriamiento de banda lateral hasta que cada uno de los dos o más modos de movimiento alcance un estado fundamental de movimiento; y realizar una informática cuántica utilizando la cadena de iones después de que los dos o más modos de movimiento hayan alcanzado el estado fundamental de movimiento.
En otro aspecto de la descripción, se describe un sistema de procesamiento de información cuántica (QIP) para el enfriamiento de una cadena de iones que tiene múltiples iones, que incluye una o más fuentes ópticas configuradas para generar un haz láser de enfriamiento de banda lateral para cada ion en la cadena de iones; un controlador de haz configurado para enfriar simultáneamente dos o más modos de movimiento asociados con los iones en la cadena de iones utilizando el respectivo haz láser de enfriamiento de banda lateral hasta que cada uno de los dos o más modos de movimiento alcance un estado fundamental de movimiento; y un componente de algoritmos configurado para realizar una informática cuántica utilizando la cadena de iones después de que los dos o más modos de movimiento hayan alcanzado el estado fundamental de movimiento.
En otro aspecto de la descripción, se describe un medio de almacenamiento legible por ordenador que almacena código con instrucciones ejecutables por un procesador para el enfriamiento de una cadena de iones que tiene múltiples iones, que incluye código para generar un haz láser de enfriamiento de banda lateral para cada ion en la cadena de iones; código para enfriar simultáneamente dos o más modos de movimiento asociados con los iones en la cadena de iones utilizando el respectivo haz láser de enfriamiento de banda lateral hasta que cada uno de los dos o más modos de movimiento alcance un estado fundamental de movimiento; y código para realizar una informática cuántica utilizando la cadena de iones después de que los dos o más modos de movimiento hayan alcanzado el estado fundamental de movimiento.
Breve descripción de las figuras
Las figuras adjuntas ilustran solo algunas implementaciones y, por lo tanto, no deben considerarse limitantes del alcance.
La Figura 1A ilustra un diagrama que representa una trampa que sostiene iones atómicos que forman un cristal o retícula lineal de acuerdo con los aspectos de la descripción.
La Figura 1B es un diagrama que ilustra un ejemplo de un diagrama de niveles de energía reducidos que muestra la aplicación de radiación láser para la inicialización de estados de acuerdo con los aspectos de la descripción.
La Figura 1C es un diagrama que ilustra un ejemplo de un diagrama de niveles de energía reducidos que muestra la aplicación de radiación láser para la detección del estado del qubit a través de la fluorescencia de acuerdo con los aspectos de la descripción.
La Figura 2 es un diagrama que ilustra un ejemplo de un proceso de enfriamiento secuencial de bandas laterales. La Figura 3 es un diagrama que ilustra un ejemplo de una cadena con cuatro (4) iones confinados en un potencial de acuerdo con aspectos de esta descripción.
La Figura 4 es un diagrama que ilustra un ejemplo de distribución de un conjunto deN= 4 modos de movimiento de acuerdo con aspectos de esta descripción.
Las Figuras 5A y 5B son diagramas que ilustran ejemplos de un conjunto de amplitudes de movimiento de iones para las modalidades en la Figura 4 de acuerdo con aspectos de esta descripción.
La Figura 6 es un diagrama que ilustra un ejemplo de paralelización o concurrencia del proceso de enfriamiento de banda lateral de acuerdo con aspectos de esta descripción.
La Figura 7 es un diagrama que ilustra un ejemplo de un dispositivo informático de acuerdo con aspectos de esta descripción.
La Figura 8 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de un método de acuerdo con aspectos de esta descripción.
La Figura 9A es un diagrama de bloques que ilustra un ejemplo de un sistema de procesamiento de información cuántica (QIP) de acuerdo con aspectos de esta descripción.
La Figura 9B es un diagrama de bloques que ilustra un ejemplo de un controlador óptico utilizado en conexión con el enfriamiento de banda lateral paralelizado de acuerdo con aspectos de esta descripción.
Descripción detallada
La descripción detallada que se presenta a continuación en relación con las figuras adjuntas tiene como objetivo ser una descripción de varias configuraciones y no pretende representar las únicas configuraciones en las que se pueden practicar los conceptos descritos en la presente descripción. La descripción detallada incluye detalles específicos con el propósito de proporcionar una comprensión completa de varios conceptos. Sin embargo, será evidente para aquellos expertos en el arte que estos conceptos pueden ser aplicados sin estos detalles específicos. En algunos casos, se muestran componentes conocidos en forma de diagrama de bloques para evitar oscurecer dichos conceptos.
Como se describe anteriormente, los átomos atrapados pueden ser utilizados para implementar el procesamiento de información cuántica. Los qubits basados en átomos pueden ser utilizados como diferentes tipos de dispositivos, incluyendo pero no limitados a memorias cuánticas, compuertas cuánticas en ordenadores y simuladores cuánticos, y nodos para redes de comunicación cuántica. Los qubits basados en iones atómicos atrapados pueden tener propiedades de coherencia muy buenas, pueden ser preparados y medidos con una eficiencia cercana al 100 %, y pueden ser fácilmente entrelazados entre sí mediante la modulación de su interacción de Coulomb con campos de control externos adecuados, como campos ópticos o de microondas. Como se utiliza en esta descripción, los términos "iones atómicos", "átomos" e "iones" pueden ser utilizados indistintamente para describir las partículas que se deben confinar, o que están realmente confinadas, en una trampa para formar una cadena, un cristal, una red o una configuración similar. Esta descripción describe técnicas en forma de métodos o procesos y equipos o aparatos para enfriar modos de movimiento en un cristal de iones atómicos atrapados.
La geometría o estructura típica de trampa de iones utilizada para fines de información cuántica y metrología es la trampa de Paul de radiofrecuencia (RF) lineal (también conocida como trampa RF o simplemente trampa de Paul), donde los electrodos cercanos mantienen potenciales eléctricos estáticos y dinámicos que conducen a una confinación armónica efectiva e inhomogénea de los iones. La trampa RF Paul es un tipo de trampa que utiliza campos eléctricos para atrapar o confinar partículas cargadas en una región, posición o ubicación particular. Cuando los iones atómicos son enfriados con láser a temperaturas muy bajas en una trampa como esta, los iones atómicos forman un cristal estacionario de qubits (por ejemplo, un arreglo estructurado de qubits), con la repulsión de Coulomb equilibrando la fuerza de confinamiento externa. Para lograr una anisotropía de trampa suficiente, los iones pueden formar un cristal lineal a lo largo de la dirección débil de confinamiento, y esta es la disposición típicamente empleada para aplicaciones en información cuántica y metrología.
La descripción describe técnicas para enfriar una cadena de iones (por ejemplo, una red o cristal de iones) hasta cerca del estado fundamental de movimiento combinado que no crece en tiempo de ejecución con el número de iones. Al abordar cada ion individualmente y utilizar cada ion para enfriar un modo de movimiento diferente, es posible enfriar simultáneamente los modos de movimiento. En un ejemplo, es posible enfriar simultáneamente un tercio de los modos de movimiento totales.
La Figura 1A ilustra un diagrama que representa la captura de iones atómicos en un cristal lineal 110 utilizando, por ejemplo, una trampa de Paul de RF lineal (mediante el uso de electrodos dentro de una cámara de vacío) en una cámara de vacío 100. En el ejemplo mostrado en la Figura 1A, una cámara de vacío en un sistema cuántico puede incluir un conjunto de electrodos para atraparN (N> 1) iones de Yterbio atómico (por ejemplo, iones 171Yb+) que están confinados en el cristal lineal 110 y pueden ser enfriados con láser para estar casi en reposo. El número de iones atómicos atrapados puede ser configurable. Los átomos son iluminados con radiación láser sintonizada a una resonancia en 171Yb+ y la fluorescencia de los iones atómicos se proyecta en una cámara. En un ejemplo, los iones atómicos pueden ser separados por una distancia 115 de aproximadamente 5 micras (|jm) entre sí, lo cual puede ser verificado mediante fluorescencia. La separación de los iones atómicos está determinada por un equilibrio entre la fuerza de confinamiento externo y la repulsión de Coulomb.
La fuerte fluorescencia de iones atómicos individuales atrapados depende del eficiente ciclo de fotones con la especie de ion atómico elegida para una transición óptica cerrada fuerte que permite el enfriamiento láser del movimiento, la inicialización del estado del qubit y una lectura eficiente del qubit. Dentro de estos iones atómicos, los bits cuánticos pueden ser representados por dos niveles electrónicos estables, a menudo caracterizados por un espín efectivo con los dos estados |f> y |J,>, o equivalentemente |1> y |0>. Por ejemplo, la Figura 1B y la Figura 1C muestran los diagramas de nivel de energía reducidos 120 y 150, respectivamente, para el ion atómico 171Yb+, donde los niveles de qubit |f> y |j> 130 están representados por los niveles hiperfinos estables en el estado electrónico fundamental, y están separados por la frecuencia Wü/2n = 12,642812 GHz. Los estados electrónicos excitados |e> y |e'> 140 en 171Yb+ están divididos por un acoplamiento hiperfino más pequeño y están separados de los estados fundamentales por un intervalo óptico que tiene una energía correspondiente a una longitud de onda óptica de 369,53 nm.
La radiación láser sintonizada justo por debajo de la resonancia en estas transiciones ópticas permite el enfriamiento láser de Doppler para confinar los iones atómicos cerca del fondo de la trampa. Otras formas más sofisticadas de enfriamiento láser pueden llevar a los iones atómicos a estar casi en reposo en la trampa, como se discutirá en esta descripción.
Cuando se aplica un haz láser bicromático (por ejemplo, un haz con dos tonos producidos por bandas laterales resultantes de la modulación óptica) resonante tanto con las transiciones |f> ^ |e> como |j> ^ |e'> al átomo, éste cae rápidamente en el estado |J,> y ya no interactúa con el campo de luz, lo que permite la inicialización del qubit con una fidelidad esencialmente del 100 % (ver, por ejemplo, Figura 1B).
Cuando se aplica un único haz láser resonante con la transición |f> ^ |e>, una transición óptica de ciclo cerrado hace que un ion en el estado |f> fluoresca intensamente mientras que un ion en el estado |j> permanece oscuro porque la frecuencia del láser está lejos de su resonancia (ver, por ejemplo, Figura 1C). La recolección incluso de una pequeña fracción de esta fluorescencia permite detectar el estado del qubit atómico con una eficiencia o precisión cercana a la perfección. Otras especies atómicas pueden tener esquemas de inicialización/detección similares. En las Figuras 1B y 1C, todas las transiciones permitidas desde los estados electrónicos excitados |e> y |e'> 140 se ilustran como flechas onduladas hacia abajo. Por otro lado, la radiación láser aplicada (que se muestra como flechas rectas hacia arriba) impulsa estas transiciones para la inicialización al estado |j> como se muestra en la Figura 1B, y para la detección de fluorescencia del estado del qubit (|f> = fluorescencia, |J,> = no fluorescencia) como se muestra en la Figura 1C.
Además del enfriamiento láser Doppler, también se utiliza un proceso de refrigeración de bandas laterales de iones en el que se utiliza un haz de láser o una combinación de haces de láser para eliminar un solo cuanto o cuantos de movimiento de la movimiento cuantizado y colectivo de una colección atrapada de iones. La Figura 2 muestra un diagrama 200 que describe una técnica secuencial actualmente utilizada para el enfriamiento de banda lateral. El enfriamiento de las bandas laterales se lleva a cabo con los siguientes pasos, tal como se ilustra en el diagrama 200 de la Figura 2: (1) Los iones se reinician en el estado de energía más bajo utilizando un haz láser de "rebombeo" (ver, por ejemplo, 210); (2) una interacción láser dependiente del movimiento transfiere un cuanto de movimiento al cambio de estado desde el estado de energía interna más bajo al estado de energía interna más alto (ver, por ejemplo, 220); (3) los iones se reinician nuevamente; y (4) se repite desde (2) hasta que se eliminen la mayoría o todos los cuantos de energía.
El momento del paso (2) se varía a lo largo de las repeticiones indicadas en el paso (4) para maximizar la tasa de eliminación de cuantos. Los tiempos también pueden variar para el estado de movimiento particular que se está enfriando. Se pueden necesitar decenas a cientos de repeticiones (o más) para eliminar suficientes cuantos de movimiento y permitir operaciones cuánticas de alta calidad en los átomos/iones. Para una cadena de iones, este proceso puede repetirse generalmente para cada uno de los modos colectivos de movimiento.
En el ejemplo de la Figura 2, se muestran dos modos de movimiento (por ejemplo, modo de movimiento 1 (210a) y modo de movimiento 2 (210b)) en relación con la operación de un haz láser de "rebombeo" 210, aunque también se pueden enfriar modos de movimiento adicionales después de enfriar los primeros dos modos de movimiento. También se muestra en la Figura 2 la operación de transferencia de movimiento 220 en la cual, como se describe en el paso (2) anterior, una interacción láser dependiente del movimiento transfiere un quantum de movimiento al cambio de estado desde el estado de energía interna inferior al estado de energía interna superior. Cada transferencia subsiguiente se muestra que lleva más tiempo hasta que el modo de movimiento particular finalmente alcanza su estado fundamental de movimiento y el siguiente modo de movimiento puede ser enfriado por desplazamiento lateral.
A diferencia del enfriamiento secuencial (por ejemplo, sucesivo o en serie) de las bandas laterales descrito anteriormente, esta descripción describe un enfriamiento simultáneo o concurrente (por ejemplo, en paralelo) en múltiples modos, lo cual puede reducir considerablemente el tiempo necesario para enfriar todos los modos. A modo de ilustración, se está describiendo este proceso concurrente o simultáneo utilizando un ejemplo con cuatro iones. Esta técnica, sin embargo, puede aplicarse a cualquier número de iones atrapados en un pozo de trampa común, o incluso en pozos de trampa separados, o una combinación de ambos.
La Figura 3 muestra un diagrama 300 en el cual los cuatro iones están completamente confinados en un potencial (dentro de una trampa de Paul, por ejemplo). ParaNiones, hay3xNmodos de movimiento combinados, generalmente formando 3 grupos separados deNmodos. En este ejemplo, se utiliza uno de los grupos deNmodalidades; sin embargo, el método puede abordar cualquierNmodalidades que se acoplen a los haces láser de enfriamiento de banda lateral (por ejemplo, los haces de direccionamiento 310a, 310b, 310c y 310d). Para una cadena de dos o más iones, entoncesN>2.
La Figura 4 muestra un diagrama 400 con un ejemplo de una distribución de un conjunto deNmodos de movimiento de frecuencias paraN= 4 modos. Los modos de movimiento pueden incluir uno o más modos longitudinales o axiales con respecto a la cadena de iones, uno o más modos transversales o radiales con respecto a la cadena de iones, o una combinación de ambos.
Las Figuras 5A y 5B muestran los diagramas 500, 510, 520 y 530 que describen un ejemplo de conjunto de amplitudes de movimiento de iones para cada uno de losN= 4 modos. En la figura 500, se aborda un modo de movimiento 1 (modo 1) de la figura 4 asociado con la frecuencia f1 mediante un segundo ion (ion 2 - sombreado) en la cadena de cuatro iones. En el diagrama 510, se aborda un modo de movimiento 2 (modo 2) de la Figura 4 asociado con la frecuencia f2 por el tercer ion (ion 3 - sombreado) en la cadena de cuatro iones. En el diagrama 520, se aborda un modo de movimiento 3 (modo 3) de la Figura 4 asociado con la frecuencia f3 por el cuarto ion (ion 4 -sombreado) en la cadena de cuatro iones. En el diagrama 530, se aborda un modo de movimiento 4 (modo 4) de la Figura 4 y asociado con la frecuencia f4 por el primer ion (ion 1 - sombreado) en la cadena de cuatro iones.
Como se muestra en la Figura 3, cada ion es abordado por separado por un láser de enfriamiento de banda lateral (o combinación de láseres). Cada haz de direccionamiento (por ejemplo, los haces de direccionamiento 1 (310a), 2 (310b), 3 (310c) y 4 (310d)) está ajustado para interactuar con un modo de movimiento diferente de la Figura 4. Para una refrigeración óptima, el ion abordado por cada haz debe tener una gran amplitud en el modo de movimiento, ver Figuras 5A y 5B, a las cuales ese haz está sintonizado.
Debido a que cada haz está localizado tanto en un ion particular de la cadena como en un modo particular, el proceso de transferir un quantum de movimiento al estado interno del ion en el paso (2) mencionado anteriormente es en gran medida independiente para cada haz y puede ocurrir simultáneamente o concurrente. Los restablecimientos de los pasos (1) y (3) son los mismos y comunes entre todos los iones. La dirección secuencial de los estados de movimiento de la Figura 2 es reemplazada ahora por un enfriamiento paralelo de estos estados, como se muestra en el diagrama 600 de la Figura 6. Esta paralelización resulta en una disminuciónNveces en el tiempo necesario para enfriar la cadena de iones.
Además de la técnica general para el enfriamiento simultáneo o concurrente de bandas laterales descrita anteriormente, también se pueden implementar otros aspectos basados en la capacidad de direccionar individualmente iones con haces láser separados. Por ejemplo, en un primer aspecto, los iones en la cadena pueden ser de dos o más especies o isótopos (por ejemplo, un tipo de ion es 171Yb+ y otro tipo de ion es diferente de 171Yb+ y se utiliza para el enfriamiento simpático). Esto permite un enfriamiento simpático durante las operaciones cuánticas (en lugar de esperar hasta que se complete el enfriamiento de la banda lateral antes de realizar las operaciones cuánticas). En otro aspecto, un solo modo de movimiento puede ser abordado por dos o más iones y dos o más haces de láser. Los pulsos de enfriamiento en este caso pueden aplicarse de forma secuencial, transfiriendo más de un cuanto a los múltiples iones antes de aplicar la repoblación. En otro aspecto, el haz de rebombeo puede ser direccionado individualmente de manera que el enfriamiento de las bandas laterales en cada ion pueda ser realizado de forma asincrónica sin necesidad de alinear los pulsos de rebombeo en todos los iones.
A continuación se describen detalles adicionales y contexto relacionados con las técnicas para el enfriamiento simultáneo o concurrente de múltiples modos de movimiento mediante el direccionamiento individual de los iones en una cadena.
La refrigeración de los iones en una cadena (por ejemplo, un cristal de iones o una red de iones) a un estado fundamental de movimiento (estado fundamental de movimiento) es uno de los pasos iniciales para cualquier operación o informática cuántica. Esto se hace generalmente a través de diversas interacciones láser. Uno de los desafíos es que el número de grados de libertad que deben considerarse para enfriar los iones aumenta a medida que aumenta el número de iones (por ejemplo, el número de qubits). Como tal, a medida que aumenta el número de iones, también aumenta el tiempo necesario para enfriar los iones, lo que puede resultar en la condición desfavorable de que se dedique más tiempo a enfriar los iones que a realizar operaciones o cálculos cuánticos. Además, la trampa de iones (por ejemplo, trampa de Paul) puede terminar calentando los iones, lo cual contrarresta el enfriamiento realizado en los iones.
Debido a que los sistemas de procesamiento de información cuántica (QIP) descritos en la presente descripción son capaces de abordar individualmente cada ion en una cadena, es posible utilizar estas capacidades para paralelizar el enfriamiento de todos los modos de movimiento en un conjunto (o al menos un tercio de todos los posibles modos de movimiento). Como tal, es entonces posible que cada ion aborde simultáneamente o de manera concurrente un modo de movimiento diferente, ya que son, en gran medida, independientes. Por lo tanto, el proceso repetido de eliminación de cuantos se puede realizar en todos losNmodos al mismo tiempo hasta que se alcance el estado fundamental de movimiento para todos los modos de movimiento.
Los modos de movimiento pueden referirse a los modos normales de movimiento. Por ejemplo, los iones en una cadena pueden comportarse como pesos en una cadena de resortes (por ejemplo, acoplamiento de osciladores) y su movimiento puede ser representado por un conjunto de frecuencias oscilantes. Por lo tanto, los modos de movimiento pueden corresponder a las diferentes frecuencias de oscilación. Los modos normales de movimiento pueden representar grados de libertad desacoplados y es posible excitar uno sin necesariamente excitar a los demás. Debido a este desacoplamiento, es posible que un modo normal esté caliente (por ejemplo, excitado) y otro modo normal esté frío (por ejemplo, no excitado). Por lo tanto, puede ser necesario, para preparar la cadena de iones para operaciones o cálculos cuánticos, enfriar los modos normales de movimiento separados o desacoplados (por ejemplo, modos de movimiento).
Las técnicas anteriores para enfriar las bandas laterales de los iones se basaban en el enfriamiento secuencial como se describe anteriormente. Es decir, se enfría primero un primer modo de movimiento, luego un segundo, luego un tercero, hasta que todos los modos de movimiento estén enfriados. Hay un par de problemas con estas técnicas. El primero es que este proceso tarda mucho tiempo en completarse, y el segundo es que las modalidades anteriores comienzan a calentarse antes de que se complete el proceso. Por lo tanto, este enfoque secuencial no es escalable, especialmente a medida que aumenta el número de iones necesarios para las computaciones y operaciones cuánticas.
Los problemas asociados con el enfriamiento secuencial descrito anteriormente pueden superarse mediante la dirección individual de iones respaldada por los sistemas QIP descritos en la presente descripción. La dirección individual de los iones también permite diversas técnicas de optimización. Por ejemplo, en un caso deN= 3 (tres modos de movimiento o modos normales de movimiento), puede ser posible controlar el movimiento de cada uno de los iones con un haz láser separado para cada ion. Entonces, este es un caso de 3 iones y 3 modos normales. Una de las modalidades puede ser tal que el ion central o medio no se mueva ni participe en el movimiento en absoluto. En tal caso, el hecho de enfocar un haz láser en el ion central o medio es ineficiente debido a que el ion medio no está acoplado. Basado en este ejemplo, queda claro que ciertos iones se acoplan de manera más efectiva a ciertos modos de movimiento (por ejemplo, los iones finales en este ejemplo), y ciertos iones se desacoplan (por ejemplo, el ion central o medio). En consecuencia, es posible identificar qué ion (o iones) es el más adecuado para enfriar un modo de movimiento particular, y luego iluminar o proporcionar un haz láser a ese ion específico a la frecuencia asociada con el respectivo modo de movimiento para enfriar ese modo de movimiento a través de ese ion. Como se describe anteriormente, el diagrama 400 en la Figura 4 muestra un ejemplo de correspondencia de diferentes frecuencias a diferentes modos paraN=4, mientras que los diagramas 500, 510, 520 y 530 en las Figuras 5A y 5B muestran ejemplos de cómo diferentes iones pueden ser utilizados para diferentes modos/frecuencias. Como se describe anteriormente, el enfriamiento es incremental y requiere la eliminación de un quantum de energía de cada uno de los modos de movimiento en cada paso de una secuencia de pasos repetidos (ver por ejemplo, los pasos (1), (2), (3) y (4) anteriores). En general, un qubit de información en la cadena se establece o se reinicia a tierra, luego se realiza una transferencia utilizando un haz láser (por ejemplo, un láser de compuerta). Todos los iones son golpeados simultáneamente o de manera concurrente por sus respectivos láseres de puerta, donde cada uno de estos láseres está ajustado a una frecuencia particular para abordar un modo específico (ver, por ejemplo, Figuras 3 y 4). Cada láser atrae un cuanto hacia un estado interno de información, que luego se borra de manera que la información se pierde o se destruye, pero como resultado se elimina un cuanto del movimiento. Este proceso de hacer que las vigas de la puerta o los láseres de la puerta interactúen con los iones para extraer la información de movimiento en un estado interno y luego borrarla se repite varias veces. En algunos ejemplos, más de un láser puede ser ajustado a la misma frecuencia para abordar el mismo modo con el fin de eliminar múltiples cuantos de movimiento de ese modo a la vez.
Una optimización adicional que se puede realizar durante el enfriamiento simultáneo o concurrente de las bandas laterales es que la cantidad de tiempo que un láser de puerta o un haz interactúa con su ion respectivo puede ser diferente a la cantidad de tiempo que otro láser de puerta o haz interactúa con su propio ion respectivo. Es decir, las interacciones con diferentes iones para abordar diferentes modos de movimiento pueden llevar diferentes cantidades de tiempo.
Otra optimización que se puede realizar incluye borrar (por ejemplo, eliminar los cuantos de movimiento) en diferentes momentos para diferentes modos de movimiento o iones.
Otros aspectos que pueden necesitar optimización incluyen cuando las frecuencias de ciertos modos de movimiento son muy cercanas y abordar individualmente los modos de movimiento puede ser un desafío si los haces respectivos para estos modos están cerca uno del otro. Un enfoque puede ser seleccionar los iones para cada modo de espaciado cercano utilizando el criterio de que ese ion tenga un acoplamiento fuerte solo con ese modo y no con los otros modos. La variación en las fuerzas de acoplamiento se ilustra mediante las amplitudes de movimiento en los diagramas de las Figuras 5A y 5B.
También, como se describe anteriormente, típicamente hay dos etapas diferentes de enfriamiento. Primero, está el enfriamiento Doppler, y segundo, está el enfriamiento de banda lateral. El enfriamiento Doppler típicamente puede reducir la cantidad de cuantos de movimiento a unos pocos cuantos, pero no hasta el estado fundamental de movimiento. Por lo tanto, el enfriamiento Doppler termina por reducir los modos de movimiento a unos pocos cuantos, lo cual es razonable para una primera etapa de enfriamiento. Para el enfriamiento de las bandas laterales, los cuantos restantes de movimiento son eliminados para llevar los modos de movimiento al estado fundamental de movimiento. En general, el número de pasos o repeticiones se puede determinar de tal manera que el proceso de eliminación se realice durante un número predeterminado de repeticiones que garantice que no queden cuantos de movimiento en ninguno de los modos de movimiento.
Como se muestra en las Figuras 2 y 6, a medida que el número de cuantos disminuye, se tarda más tiempo en eliminar el siguiente cuanto de un modo de movimiento (por ejemplo, el ancho del pulso se hace más amplio a medida que se tarda más tiempo). Esto se debe en parte al tiempo que lleva la transición dentro del qubit de absorber uno de los cuantos y luego restablecerse (por ejemplo, el proceso de extraer entropía del sistema/modo). Debido al aumento en el tiempo que se requiere para eliminar cada cuanta adicional de movimiento, es necesario controlar la cantidad de tiempo dedicado a cada paso o repetición, como se muestra por el cambio en el ancho de pulso del haz láser de transferencia de movimiento en las Figuras 2 y 6.
Otro aspecto a considerar y uno descrito anteriormente, es que debido a las fluctuaciones no controladas del campo eléctrico en los electrodos de la trampa, y debido a que los iones son partículas cargadas, los iones se van a calentar por los electrodos en la trampa de iones. Este efecto se conoce como la tasa de calentamiento. En consecuencia, uno de los beneficios del enfriamiento simultáneo o concurrente de las bandas laterales es que es eficiente y lo suficientemente rápido como para que haya tiempo suficiente para realizar cálculos u operaciones cuánticas antes de que los modos de movimiento comiencen a calentarse nuevamente (por ejemplo, debido a la tasa de calentamiento). En general, es deseable que la velocidad de enfriamiento sea más rápida que la velocidad de calentamiento. Una cosa a tener en cuenta es que no todos los modos de movimiento pueden calentarse a la misma velocidad. Por ejemplo, las modalidades comunes (por ejemplo, con movimiento en la misma dirección) pueden ser más fáciles de excitar con campos eléctricos fluctuantes lentos (o campos eléctricos que tienden a ser uniformes en la escala de longitud de la frecuencia espacial de la modalidad), mientras que las modalidades diferenciales (por ejemplo, con movimiento en direcciones diferentes) pueden necesitar campos eléctricos fluctuantes rápidos (o campos eléctricos con alta frecuencia espacial en comparación con la frecuencia espacial de la modalidad) para ser excitadas. En consecuencia, otra oportunidad de optimización asociada con el enfriamiento simultáneo o concurrente de las bandas laterales es que es posible dedicar más tiempo y más recursos (por ejemplo, haces láser) para enfriar los modos de movimiento que se calientan más rápido y dedicar menos tiempo y menos recursos para enfriar los modos de movimiento que se calientan más lentamente. Por ejemplo, es posible asignar más iones y haces de láser para enfriar aquellos modos de movimiento que se calientan más rápido. En un ejemplo, si hay un modo de movimiento restante que necesita enfriarse, es posible asignar dos o más iones y haces láser para eliminar más rápidamente cualquier cantidad restante de movimiento de ese modo de movimiento.
Un beneficio adicional del sistema QIP descrito en la presente descripción (ver, por ejemplo, las Figuras 9A y 9B) y su aplicación a el enfriamiento simultáneo o concurrente de bandas laterales es la capacidad, como se describe anteriormente, de realizar enfriamiento simpático mientras se realizan cálculos u operaciones cuánticas. Al utilizar dos tipos diferentes de iones o isótopos, donde hay al menos un tipo (de especie atómica o isótopo) para el cálculo y al menos un tipo (de especie atómica o isótopo) para enfriamiento (ion de enfriamiento o refrigerante) intercalado entre los iones de cálculo, es posible utilizar los iones de enfriamiento para enfriar los iones de cálculo cercanos mientras los iones de cálculo se utilizan para realizar cálculos u operaciones cuánticas. Una oportunidad de optimización es colocar o posicionar los iones del refrigerante (iones simpáticos) donde participarían en modos de movimiento para ayudar a enfriar esos modos de movimiento.
Los diversos aspectos descritos anteriormente para un proceso de enfriamiento eficiente que incluye un enfriamiento de banda lateral concurrente o simultáneo, junto con los ejemplos relacionados descritos en relación con la cadena de cuatro iones en las Figuras 2-6, pueden llevarse a cabo como métodos o procesos mediante diferentes dispositivos o sistemas. Se describen más detalles adicionales de dichos métodos, procesos, dispositivos o sistemas a continuación en relación con las Figuras 7-9B.
Haciendo referencia ahora a la Figura 7, se muestra un ejemplo de dispositivo informático 700 de acuerdo con aspectos de la descripción. El dispositivo informático 700 puede representar un único dispositivo informático, múltiples dispositivos informáticos o un sistema informático distribuido, por ejemplo. El dispositivo informático 700 puede configurarse como un ordenador cuántico (por ejemplo, un sistema de procesamiento de información cuántica (QIP)), un ordenador clásico o una combinación de funciones de informática cuántica y clásica. Por ejemplo, el dispositivo informático 700 puede ser utilizado para procesar información utilizando algoritmos cuánticos basados en tecnología de iones atrapados y, por lo tanto, puede implementar métodos o procesos para enfriamiento eficiente, incluyendo técnicas involucradas en el enfriamiento simultáneo o concurrente de modos de movimiento. Un ejemplo genérico del dispositivo informático 700 como un sistema QIP que puede implementar las técnicas descritas en la presente descripción se ilustra en un ejemplo mostrado en las Figuras 9A y 9B.
En un ejemplo, el dispositivo informático 700 puede incluir un procesador 710 para llevar a cabo funciones de procesamiento asociadas con una o más de las características descritas en la presente descripción. Por ejemplo, el procesador 710 puede estar configurado para controlar, coordinar y/o realizar aspectos del enfriamiento simultáneo o concurrente de modos de movimiento, así como controlar, coordinar y/o realizar aspectos de cálculos u operaciones cuánticas que tienen lugar mientras se realiza el enfriamiento (por ejemplo, enfriamiento simpático). El procesador 710 puede incluir un solo o múltiples conjuntos de procesadores o procesadores multinúcleo. Además, el procesador 710 puede ser implementado como un sistema de procesamiento integrado y/o un sistema de procesamiento distribuido. El procesador 710 puede incluir una unidad central de procesamiento (CPU), una unidad de procesamiento cuántico (QPU), una unidad de procesamiento gráfico (GPU0 o una combinación de esos tipos de procesadores). En un aspecto, el procesador 710 puede referirse a un procesador general del dispositivo informático 700, que también puede incluir procesadores adicionales 710 para realizar funciones más específicas.
En un ejemplo, el dispositivo informático 700 puede incluir una memoria 720 para almacenar instrucciones ejecutables por el procesador 710 para llevar a cabo las funciones descritas en la presente descripción. En una implementación, por ejemplo, la memoria 720 puede corresponder a un medio de almacenamiento legible por ordenador que almacena código o instrucciones para realizar una o más de las funciones u operaciones descritas en la presente descripción. En un ejemplo, la memoria 720 puede incluir instrucciones para llevar a cabo aspectos de un método 800 descrito a continuación en relación con la Figura 8. Al igual que el procesador 710, la memoria 720 puede hacer referencia a una memoria general del dispositivo informático 700, que también puede incluir memorias adicionales 720 para almacenar instrucciones y/o datos para funciones más específicas.
Además, el dispositivo informático 700 puede incluir un componente de comunicaciones 730 que permite establecer y mantener comunicaciones con una o más partes utilizando hardware, software y servicios como se describe en la presente descripción. El componente de comunicaciones 730 puede llevar a cabo comunicaciones entre los componentes en el dispositivo informático 700, así como entre el dispositivo informático 700 y dispositivos externos, como dispositivos ubicados a través de una red de comunicaciones y/o dispositivos conectados en serie o localmente al dispositivo informático 700. Por ejemplo, el componente de comunicaciones 730 puede incluir uno o más buses, y además puede incluir componentes de cadena de transmisión y componentes de cadena de recepción asociados con un transmisor y un receptor, respectivamente, operativos para la interfaz con dispositivos externos. Además, el dispositivo informático 700 puede incluir una memoria de datos 740, que puede ser cualquier combinación adecuada de hardware y/o software, que permite el almacenamiento masivo de información, bases de datos y programas utilizados en relación con las implementaciones descritas en la presente descripción. Por ejemplo, el almacén de datos 740 puede ser un repositorio de datos para el sistema operativo 760 (por ejemplo, un sistema operativo clásico o cuántico). En una implementación, el almacén de datos 740 puede incluir la memoria El dispositivo informático 700 también puede incluir un componente de interfaz de usuario 750 operable para recibir entradas de un usuario del dispositivo informático 700 y además operable para generar salidas para presentar al usuario o proporcionar a un sistema diferente (directa o indirectamente). El componente de interfaz de usuario 750 puede incluir uno o más dispositivos de entrada, incluyendo pero no limitado a un teclado, un teclado numérico, un ratón, una pantalla táctil, un digitalizador, una tecla de navegación, una tecla de función, un micrófono, un componente de reconocimiento de voz, cualquier otro mecanismo capaz de recibir una entrada de un usuario, o cualquier combinación de los mismos. Además, el componente de interfaz de usuario 750 puede incluir uno o más dispositivos de salida, incluyendo pero no limitados a una pantalla, un altavoz, un mecanismo de retroalimentación háptica, una impresora, cualquier otro mecanismo capaz de presentar una salida a un usuario, o cualquier combinación de los mismos.
En una implementación, el componente de interfaz de usuario 750 puede transmitir y/o recibir mensajes correspondientes al funcionamiento del sistema operativo 760. Además, el procesador 710 puede ejecutar el sistema operativo 760 y/o aplicaciones o programas, y la memoria 720 o el almacén de datos 740 puede almacenarlos. Cuando el dispositivo informático 700 se implementa como parte de una solución de infraestructura basada en la nube, el componente de interfaz de usuario 750 se puede utilizar para permitir que un usuario de la solución de infraestructura basada en la nube interactúe de forma remota con el dispositivo informático 700.
La Figura 8 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de un método 800 para el enfriamiento de una cadena de iones que tiene múltiples iones de acuerdo con los aspectos de esta descripción. En un aspecto, el método 800 puede llevarse a cabo en un sistema informático (por ejemplo, como parte de las operaciones del sistema informático) como el dispositivo informático 700 descrito anteriormente, donde, por ejemplo, el procesador 710, la memoria 720, el almacén de datos 740 y/o el sistema operativo 760 pueden utilizarse para realizar o controlar las funciones del método 800. De manera similar, las funciones del método 800 pueden ser realizadas o controladas por uno o más componentes de un sistema QIP, como un sistema QIP 900 y sus componentes (por ejemplo, el controlador óptico 920 y sus subcomponentes), que se describen con más detalle a continuación en relación con las Figuras 9A y 9B.
En el paso 810, el método 800 incluye generar un haz láser de enfriamiento de banda lateral para cada ion en la cadena de iones.
En el paso 820, el método 800 incluye enfriar simultáneamente dos o más modos de movimiento asociados con los iones en la cadena de iones utilizando el respectivo haz láser de enfriamiento de banda lateral hasta que cada uno de los dos o más modos de movimiento alcance un estado fundamental de movimiento.
En 830, el método 800 incluye realizar una informática cuántica utilizando la cadena de iones después de que los dos o más modos de movimiento hayan alcanzado el estado fundamental de movimiento.
En otro aspecto del método 800, el enfriamiento simultáneo de dos o más modos de movimiento incluye repetir la siguiente secuencia varias veces: restablecer los iones a un estado de energía más bajo utilizando un haz láser de rebombeo; realizar una interacción láser dependiente del movimiento con los haces láser de enfriamiento de banda lateral generados para transferir un cuanto de movimiento del estado de energía más bajo de los iones a un estado de energía más alto de los iones; y restablecer nuevamente los iones al estado de energía más bajo. El número de veces que se repite la secuencia es un número predeterminado de veces que garantiza que todos los dos o más modos de movimiento alcancen el estado fundamental de movimiento. El restablecimiento de los iones a un estado de energía más bajo utilizando un haz láser de rebombeo puede incluir restablecer cada uno de los iones a un estado de energía más bajo utilizando un haz láser de rebombeo respectivo para permitir el restablecimiento asincrónico de los iones.
En otro aspecto del método 800, el número de los dos o más modos de movimiento es proporcional al número de iones en la cadena de iones.
En otro aspecto del método 800, cada uno de los dos o más modos de movimiento tiene un ion respectivo en la cadena de iones para el enfriamiento de banda lateral utilizando un correspondiente haz láser de enfriamiento de banda lateral.
En otro aspecto del método 800, los dos o más modos de movimiento incluyen modos longitudinales o axiales con respecto a la cadena de iones, modos transversales o radiales con respecto a la cadena de iones, o una combinación de ambos.
En otro aspecto del método 800, los iones en la cadena de iones incluyen iones de dos o más especies, siendo una de las especies utilizada para el enfriamiento simpático, el enfriamiento simultáneo de los dos o más modos de movimiento asociados con los iones en la cadena de iones se realiza utilizando los iones de la especie utilizada para el enfriamiento simpático, y la informática cuántica se realiza con una o más de las especies restantes mientras se lleva a cabo el enfriamiento simultáneo.
En otro aspecto del método 800, al menos uno de los dos o más modos de movimiento se enfría por banda lateral utilizando dos o más iones y dos o más haces láser de enfriamiento de banda lateral.
La Figura 9A es un diagrama de bloques que ilustra el sistema QIP 900 de acuerdo con aspectos de esta descripción. El sistema QIP 900 también puede ser conocido como un sistema de informática cuántica, un dispositivo informático, un ordenador cuántico de iones atrapados, o similar. En un aspecto, el sistema QIP 900 puede corresponder a partes de una implementación de ordenador cuántico del dispositivo informático 700 en la Figura 7.
El sistema QIP 900 puede incluir una fuente 960 que proporciona especies atómicas (por ejemplo, un flujo de átomos neutros) a una cámara 950 que tiene una trampa de iones 970 que atrapa las especies atómicas una vez ionizadas (por ejemplo, fotoionizadas) por un controlador óptico 920 (ver por ejemplo, Figura 9B). Fuentes ópticas 930 (por ejemplo, láseres que producen haces) en el controlador óptico 920 pueden incluir una o más fuentes láser que se pueden utilizar para la ionización de la especie atómica, el control (por ejemplo, control de fase) de los iones atómicos, para la fluorescencia de los iones atómicos que pueden ser monitoreados y rastreados por algoritmos de procesamiento de imágenes que operan en un sistema de imágenes 940 en el controlador óptico 920, y/o para realizar las funciones de enfriamiento óptico descritas en esta descripción, incluyendo el enfriamiento Doppler y el enfriamiento simultáneo o concurrente de los modos de movimiento mediante bandas laterales. En un aspecto, las fuentes ópticas 930 pueden ser implementadas de forma separada al controlador óptico 920.
El sistema de obtención de imágenes 940 puede incluir un captador de alta resolución (por ejemplo, una cámara CCD) para monitorear los iones atómicos mientras están siendo suministrados a la trampa de iones o después de haber sido suministrados a la trampa de iones 970. En un aspecto, el sistema de obtención de imágenes 940 puede implementarse por separado del controlador óptico 920, sin embargo, el uso de fluorescencia para detectar, identificar y etiquetar iones atómicos mediante algoritmos de procesamiento de imágenes puede necesitar coordinarse con el controlador óptico 920.
El sistema QIP 900 también puede incluir un componente de algoritmos 910 que puede operar con otras partes del sistema QIP 900 (no mostradas) para realizar algoritmos cuánticos u operaciones cuánticas, incluyendo operaciones de un solo qubit u operaciones de múltiples qubits, así como cálculos cuánticos extendidos. Como tal, el componente de algoritmos 910 puede proporcionar instrucciones a varios componentes del sistema QIP 900 (por ejemplo, al controlador óptico 920) para permitir la implementación de los algoritmos cuánticos u operaciones cuánticas. En un ejemplo, el componente de algoritmos 910 puede realizar, coordinar y/o instruir la ejecución de cálculos u operaciones cuánticas después de que se complete el enfriamiento de banda lateral o durante el enfriamiento de banda lateral si se están aplicando técnicas de enfriamiento simpático, como se describe anteriormente en relación con el enfriamiento de banda lateral concurrente o simultáneo.
La Figura 9B muestra al menos una parte del controlador óptico 920. En este ejemplo, el controlador óptico 920 puede incluir un controlador de haz 921, las fuentes ópticas 930 y el sistema de obtención de imágenes 940. Como se muestra mediante las líneas punteadas, una o ambas de las fuentes ópticas 930 y el sistema de obtención de imágenes 940 pueden ser implementados de forma separada, pero en comunicación con el controlador óptico 920. El sistema de obtención de imágenes 940 incluye un CCD 941 (o un creador de imágenes o cámara similar) y un componente de algoritmos de procesamiento de imagen 942. Las fuentes ópticas 930 incluyen un modulador 925 y múltiples fuentes láser 935a, ..., 935b, que pueden ser utilizadas para una o más de las funciones descritas anteriormente (por ejemplo, para producir haces láser o de puerta para operaciones de enfriamiento). El controlador de haz 921 está configurado para realizar varios aspectos descritos en la presente descripción para controlar coherentemente las fases cuánticas en qubits atómicos mediados por campos de control, como se aplica a compuertas lógicas cuánticas y/o en relación con interacciones generalizadas entre qubits. El controlador de haz 921 puede incluir un componente de enfriamiento Doppler 922 configurado para utilizar haces láser para realizar una primera etapa de enfriamiento de los modos de movimiento de una cadena de iones (por ejemplo, iones en un cristal o enrejado en la trampa de iones 970). El controlador de haz 921 también puede incluir un componente de enfriamiento de banda lateral 923 que tiene un componente de enfriamiento de modo de movimiento simultáneo 924 para realizar los diversos aspectos descritos en la presente descripción para una segunda etapa de enfriamiento de los modos de movimiento de una cadena de iones, donde la segunda etapa de enfriamiento implica un enfriamiento simultáneo o simultáneo (por ejemplo, no secuencial) de los modos de movimiento. En una implementación, el componente de enfriamiento Doppler 922 y el componente de enfriamiento de banda lateral 923 pueden formar parte del mismo componente y/o pueden implementarse por separado del controlador de haz 921 pero en comunicación con el controlador de haz 921.
Los diversos componentes del controlador óptico 920 pueden operar de forma individual o en combinación para realizar las diversas funciones descritas en esta descripción, por ejemplo, el método 800 en la Figura 8. Además, los diversos componentes del controlador óptico 920 pueden operar con uno o más de los componentes del sistema QIP 900 para realizar las diversas funciones descritas en esta descripción, por ejemplo, el método 800 en la Figura 8.
Claims (16)
1. Un método para enfriar una cadena de iones que tiene múltiples iones, que comprende:
generar (810) un haz láser de enfriamiento de banda lateral para cada ion en la cadena de iones;
enfriar simultáneamente (820) dos o más modos de movimiento (210a, 210b) asociados con los iones en la cadena de iones utilizando el respectivo haz láser de enfriamiento de banda lateral hasta que cada uno de los dos o más modos de movimiento alcance un estado fundamental de movimiento; y
realizar (830) una informática cuántica utilizando la cadena de iones después de que los dos o más modos de movimiento hayan alcanzado el estado fundamental de movimiento.
2. El método de la reivindicación 1, en donde enfriar simultáneamente dos o más modos de movimiento incluye repetir la siguiente secuencia un número de veces:
restablecer (210) los iones a un estado de energía más bajo utilizando un haz láser de rebombeo;
realizar (220) una interacción láser dependiente del movimiento con los haces láser de enfriamiento de banda lateral generados para transferir un quantum de movimiento del estado de energía más bajo de los iones a un estado de energía más alto de los iones; y
restablecer los iones nuevamente al estado de energía más bajo.
3. El método de la reivindicación 2, en donde el número de veces que se repite la secuencia es un número predeterminado de veces que garantiza que todos los dos o más modos de movimiento alcancen el estado fundamental de movimiento.
4. El método de la reivindicación 2, en donde el restablecimiento de los iones a un estado de energía más bajo utilizando un haz láser de rebombeo incluye restablecer cada uno de los iones a un estado de energía más bajo utilizando un haz láser de rebombeo respectivo para permitir el restablecimiento asincrónico de los iones.
5. El método de la reivindicación 1, en donde cada uno de los dos o más modos de movimiento tiene un ion respectivo en la cadena de iones para el enfriamiento de banda lateral utilizando un correspondiente haz láser de enfriamiento de banda lateral.
6. El método de la reivindicación 1, en donde los dos o más modos de movimiento incluyen modos longitudinales o axiales con respecto a la cadena de iones, modos transversales o radiales con respecto a la cadena de iones, o una combinación de ambos.
7. El método de la reivindicación 1, en donde:
los iones en la cadena de iones incluyen iones de dos o más especies, siendo una de las especies utilizada para el enfriamiento simpático,
el enfriamiento simultáneo de los dos o más modos de movimiento asociados con los iones en la cadena de iones se realiza utilizando los iones de la especie utilizada para el enfriamiento simpático, y
la informática cuántica se realiza con una o más de las especies restantes mientras se lleva a cabo el enfriamiento simultáneo.
8. El método de la reivindicación 1, en donde al menos uno de los dos o más modos de movimiento se enfría por banda lateral utilizando dos o más iones y dos o más haces láser de enfriamiento de banda lateral.
9. Un sistema de procesamiento de información cuántica, QIP, (900) para enfriar una cadena de iones que tiene múltiples iones, que comprende:
una o más fuentes ópticas (930) configuradas para generar un haz láser de enfriamiento de banda lateral para cada ion en la cadena de iones;
un controlador de haz (921) configurado para enfriar simultáneamente (820) dos o más modos de movimiento (210a, 210b) asociados con los iones en la cadena de iones utilizando el respectivo haz láser de enfriamiento de banda lateral hasta que cada uno de los dos o más modos de movimiento alcance un estado fundamental de movimiento; y
un componente de algoritmos (910) configurado para realizar una informática cuántica utilizando la cadena de iones después de que los dos o más modos de movimiento hayan alcanzado el estado fundamental de movimiento.
10. El sistema QIP de la reivindicación 9, en donde el controlador de haz (921) configurado para enfriar simultáneamente dos o más modos de movimiento está adicionalmente configurado para repetir la siguiente secuencia un número de veces:
restablecer (210) los iones a un estado de energía más bajo utilizando un haz láser de rebombeo;
realizar (220) una interacción láser dependiente del movimiento con los haces láser de enfriamiento de banda lateral generados para transferir un quantum de movimiento del estado de energía más bajo de los iones a un estado de energía más alto de los iones; y
restablecer los iones nuevamente en el estado de energía más bajo.
11. El sistema QIP de la reivindicación 10, en donde el número de veces que se repite la secuencia es un número predeterminado de veces que garantiza que todos los dos o más modos de movimiento alcancen el estado fundamental de movimiento.
12. El sistema QIP de la reivindicación 10, en donde el restablecimiento de los iones a un estado de energía más bajo utilizando un haz láser de rebombeo incluye un restablecimiento de cada uno de los iones a un estado de energía más bajo utilizando un haz láser de rebombeo respectivo para permitir el restablecimiento asincrónico de los iones.
13. El sistema QIP de la reivindicación 9, en donde cada uno de los dos o más modos de movimiento tiene un ion respectivo en la cadena de iones para el enfriamiento de banda lateral utilizando un correspondiente haz láser de enfriamiento de banda lateral.
14. El sistema QIP de la reivindicación 9, en donde los dos o más modos de movimiento incluyen modos longitudinales o axiales con respecto a la cadena de iones, modos transversales o radiales con respecto a la cadena de iones, o una combinación de ambos.
15. El sistema QIP de la reivindicación 9, en donde:
los iones en la cadena de iones incluyen iones de dos o más especies, siendo una de las especies utilizada para el enfriamiento simpático,
el controlador del haz está configurado para enfriar simultáneamente los dos o más modos de movimiento asociados con los iones en la cadena de iones utilizando los iones de la especie utilizada para el enfriamiento simpático, y
el componente de algoritmos está configurado para realizar la informática cuántica con una o más de las especies restantes mientras se lleva a cabo el enfriamiento simultáneo.
16. El sistema QIP de la reivindicación 9, en donde al menos uno de los dos o más modos de movimiento se enfría por banda lateral utilizando dos o más iones y dos o más haces láser de enfriamiento de banda lateral.
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