Новая криогенная вакуумная камера снижает шум для квантовых ловушек ионов

Исследователь GTRI Дариан Хартселл настраивает усовершенствованную криогенную вакуумную камеру, которая помогает снизить распространённые источники шума, изолируя ионы от вибраций и защищая их от флуктуаций магнитного поля. Автор: Шон МакНил, GTRI

Даже очень слабый фоновый шум, например, микроскопические вибрации или колебания магнитного поля в сотни раз слабее земного, может быть катастрофическим для экспериментов по квантовым вычислениям с захваченными ионами.

Для решения этой задачи исследователи из Технологического исследовательского института Джорджии (GTRI) разработали усовершенствованную криогенную вакуумную камеру. Она помогает снизить распространённые источники шума, изолируя ионы от вибраций и экранируя их от флуктуаций магнитного поля. Новая камера также включает улучшенную систему визуализации и радиочастотную (RF) катушку, которую можно использовать для управления переходами ионов изнутри камеры.

Дизайн камеры описан в статье, опубликованной в журнале Applied Physics Letters. Некоторые технические улучшения, разработанные в рамках проекта, уже применяются в GTRI и организациях-партнёрах. Работа велась в сотрудничестве с Национальной лабораторией в Лос-Аламосе.

Усовершенствованная криогенная вакуумная камера. Автор: Шон МакНил, GTRI

Снижение шума и повышение точности

Цель изоляции от вибраций — снизить амплитудный и фазовый шум лазера при воздействии на ионы, повысив точность операций. Цель подавления магнитного шума — сохранить когерентность кубитов на более длительное время, чтобы исследователи могли использовать их для более сложных алгоритмов.

В ранних тестах новая система визуализации позволила проводить измерения с очень высокой точностью всего за 50 микросекунд. Используя RF-катушку для выполнения операции, называемой динамическим расцеплением, учёные смогли увеличить время когерентности ионов (интервал, в течение которого кубит сохраняет свои квантовые свойства) с 24(2) миллисекунд до 810(30) миллисекунд.

Улучшенная система использует магнитные экранирующие материалы внутри камеры для защиты от шума магнитного поля от таких источников, как лифты в здании лаборатории. Вместо дорогой и громоздкой установки экранирования всей комнаты, исследователи с помощью моделирования поняли, что установка магнитного экрана внутри самой камеры может дать желаемый эффект.

Улучшенная виброизоляция внутри камеры снижает влияние шума оборудования, например, систем охлаждения. Исследователи обнаружили, что могут значительно снизить уровень вибраций, подвесив ионную ловушку внутри камеры на стойках из термоизолирующей керамики и пластика.

Улучшения в измерении флуоресценции

Помимо магнитного экранирования и виброизоляции, исследователи GTRI также разработали и внедрили новый подход к измерению флуоресценции, которая указывает на состояние захваченных ионов. В их улучшенной системе свет улавливается объективом внутри вакуума, позиционируемым с помощью пьезоэлектрического гексапода, что позволяет дистанционно управлять оптическими компонентами. Более высокая эффективность новой системы захвата позволяет ускорить детектирование и снизить ошибки измерений.

Производительность улучшенной камеры сейчас полностью характеризуется для определения детальных уровней работы и поиска других потенциальных применений. Всего за 50 микросекунд система способна определить состояние иона с точностью 99,9963(4)% в режиме однократного детектирования. Эта скорость и точность превосходят ранее продемонстрированные результаты для поверхностных ионных ловушек и позволят исследователям исправлять ошибки во время выполнения квантового алгоритма на основе одиночных измерений.

Источник: Georgia Institute of Technology