Существующее узкое место в эффективной миниатюризации компонентов для квантовых компьютеров можно преодолеть с помощью 3D-печати.
Квантовые компьютеры решают сложные вычислительные задачи, используя мощь бесчисленного множества крошечных деталей, работающих слаженно. Технология захваченных ионов, где заряженные частицы, такие как ионы, удерживаются с помощью управления электромагнитными полями, является одним из таких компонентов.
Трудности микропроизводства
Современные методы микропроизводства не справляются, когда дело доходит до создания сложных структур электродов с оптимальным удержанием ионов, подходящих для квантовых операций.
Решение проблемы с помощью 3D-печати
Исследователи нашли решение этой проблемы в 3D-печати высокого разрешения. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, учёные из Калифорнийского университета и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли показали, что двухфотонная полимеризация (2PP), популярная в мире микроскопической 3D-печати, может изготавливать большие массивы миниатюрных трёхмерных ионоловок со сложной геометрией без ущерба для масштабируемости или точности.
Квантовые компьютеры и ионы-кубиты
Квантовому компьютеру нужен способ хранения квантовой информации, и отдельные ионы, удерживаемые в системах захваченных ионов, выполняют эту роль, действуя как кубиты — основные носители квантовой информации.
Для этого ионоловки используют электрические поля, чтобы удерживать ионы в глубокой потенциальной яме, что предотвращает их дрейф или возмущение окружающей средой.
Традиционные ионоловки и их ограничения
Традиционные 3D ионоловки используют электроды, расположенные вокруг иона в трёх измерениях, что обеспечивает сильное удержание, но плохо поддаётся миниатюризации. Кроме того, большое расстояние между ионом и электродом (≈1 мм) ослабляет напряжённость электрического поля при заданном напряжении. Более слабые поля означают более низкую частоту ловушки, которая является мерой того, насколько плотно ион может быть удержан на месте. Это делает их непригодными для масштабируемых квантовых вычислений.
Миниатюризация с помощью фотолитографии
Исследования изучали поверхностные ловушки, созданные с помощью 2D структур электродов, изготовленных с помощью фотолитографических методов — процесса в полупроводниковом производстве, при котором светочувствительный материал используется для создания точных узоров. Однако эти структуры требуют, чтобы ионы хранились очень близко к электродам. Это часто приводит к электрическому полевому шуму от электродов, генерирующих тепло, что может привести к ошибкам в квантовых операциях.
Преимущества 3D-печати
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи представили метод 3D-печати высокого разрешения для создания ловушек, сочетающий преимущества традиционных 3D-ловушек, таких как сильное радиальное удержание, с миниатюризацией и масштабируемостью чиповых устройств.
Они создали ионоловки непосредственно на сапфировых подложках с помощью Nanoscribe, коммерчески доступного 3D-принтера, работающего на основе двухфотонной полимеризации, где высокофокусированные лазеры затвердевают жидкую смолу, образуя точные трёхмерные структуры. Эти ловушки затем были покрыты металлом золотом или алюминием.
Используя эти ловушки, команда успешно удержала ионы кальция с радиальными частотами ловушек от 2 до 24 МГц. Они также продемонстрировали высокоточные квантовые операции, такие как двухкубитный вентиль с точностью состояния Белла 0,978 ± 0,012, что дополнительно подтвердило надёжность разработанных ловушек для поддержки квантовых вычислений.
Исследователи отметили, что 3D-ионоловки, разработанные с использованием предложенного метода, достигли частот ловушек, которые были в четыре раза выше, чем обычно наблюдается как в макро-3D-ловушках, так и в поверхностных ловушках.