आयन क्वांटम कंप्यूटर किस प्रकार के आयनों का उपयोग करते हैं?

Question

फंसे आयन क्वांटम कंप्यूटर बड़े पैमाने पर क्वांटम कम्प्यूटेशन प्राप्त करने के लिए सबसे आशाजनक दृष्टिकोणों में से हैं। सामान्य विचार प्रत्येक आयन के इलेक्ट्रॉनिक राज्यों में क्वोट्स को एनकोड करना है, और फिर इलेक्ट्रोमैग्नेटिक बलों के माध्यम से आयनों को नियंत्रित करना है।

इस संदर्भ में, मैं अक्सर देखता हूं कि फंसे हुए आयन सिस्टम का प्रायोगिक एहसास ${}^{40}\!\operatorname{Ca}^+$ आयन (देखें1803.10238)। क्या हमेशा ऐसा ही होता है? यदि नहीं, तो इन प्रकार के आयन सिस्टम के निर्माण के लिए अन्य प्रकार के आयनों का उपयोग किया जा सकता है या नहीं किया जा सकता है? आयनों के फंसे हुए उपकरणों को बनाने के लिए आयनों को आसानी से इस्तेमाल करने के लिए मुख्य विशेषताएं क्या होनी चाहिए?

Answer 1

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सूची में लगभग बहुत अधिक आयन प्रजातियां हैं जिनका उपयोग आयन ट्रैप आधारित क्वांटम कंप्यूटिंग या संबंधित प्रयोगों में किया गया है। सामान्य पसंद वह है जो तब होती है, जब एकल रूप से आयनित, हाइड्रोजन-जैसा होता है, जिसके लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए सुविधाजनक परिणाम होते हैं: फिर एक मजबूत, आमतौर पर $20$मेगाहर्ट्ज व्यापक संक्रमण लेजर-सुलभ स्पेक्ट्रम के यूवी या नीले अंत में होता है (बजाय वैक्यूम-यूवी के रूप में यह आयनों के लिए होता है जो हाइड्रोजन की तरह बनने के लिए एकल आयनीकरण से अधिक की आवश्यकता होती है)। इसके अलावा, स्पेक्ट्रम अपेक्षाकृत सरल रहता है (यदि यह हाइड्रोजन की तरह है) जिसका अर्थ है कि सीमित संख्या में अन्य राज्य हैं जिन्हें रेपर लेज़र के रूप में अपने स्वयं के लेजर की आवश्यकता हो सकती है। यह फायदेमंद हो सकता है कि एक ऑप्टिकल मेटा-स्टेबल स्टेट हो, जिसे रिपपर लेजर की जरूरत हो, क्योंकि इसका उपयोग माप और राज्य की तैयारी में किया जा सकता है (या, कम से कम, एक क्वेट स्टेट का प्रतिनिधित्व करने के लिए)।

अंत में, आप आम तौर पर (लेकिन हमेशा नहीं) एक आयन चाहते हैं जिसके पास एक हाइपरफाइन संरचना है क्योंकि इससे आप केवल कुछ ऊर्जा रिक्ति के रूप में क्वेट राज्यों के साथ हाइपरफाइन राज्यों का उपयोग कर सकते हैं । ये अवस्थाएँ लाभप्रद हैं क्योंकि इनका शत-प्रतिशत क्षय समय होता है, जिसका अर्थ है कि आप व्यावहारिक रूप से इनके सहज क्षय से नहीं, बल्कि चुंबकीय क्षेत्रों से, जो कि अच्छी तरह से चुनी हुई अवस्थाएँ हैं, हालाँकि, कोई रेखीय और केवल एक द्विघात नहीं है। निर्भरता)।$\mathrm{GHz}$

यह कम द्रव्यमान वाला आयन होना भी सुविधाजनक है क्योंकि इससे आपको उच्च गति वाले आवृत्तियों के साथ आयन जाल का निर्माण करने की अनुमति मिलती है (यदि इसका चार्ज-टू-मास अनुपात अधिक है तो आयन अधिक दृढ़ता से सीमित है)। आयन ट्रेप के अंदर उच्च प्रेरक आवृत्तियों का कम (विसंगतिपूर्ण) ताप और तेजी से -क्वेट गेट गति की संभावना होती है।$2$

सबसे लोकप्रिय आयन प्रजातियों में से एक क्योंकि आपके पास वर्णक्रमीय क्षेत्र (आईआर और दृश्यमान) में सभी आवश्यक लेजर हैं जहां आप उन्हें सापेक्ष सादगी के साथ बना सकते हैं और एक सुविधाजनक मेटा-स्थिर है लगभग चौड़ाई की स्थिति (और लगभग चौड़ाई जो अप्रासंगिक है), और इसकी की परमाणु स्पिन के कारण विशेष रूप से सरल हाइपरफाइन संरचना है । लगभग अच्छा है: आप एक hyperfine संरचना बिना रह सकते हैं, समान रूप से सरल लेजर आवश्यकताओं और के लिए अपने पराबैंगनीकिरण ट्यूनिंग द्वारा, जबकि एक अपेक्षाकृत कम द्रव्यमान है$\ce{^{171}Yb^+}$$1\ \mathrm{Hz}$$1\ \mathrm{nHz}$$1/2$$\ce{Ca^+}$$\ce{^{40}Ca^+}$$\ce{^{43}Ca^+}$आप के परमाणु स्पिन के कारण काफी जटिल होने के कारण एक हाइपरफाइन संरचना प्राप्त करते हैं । कुछ समूह पीछा करते हैं, जो इतना हल्का होने के लिए और केवल एक ही तरंग दैर्ध्य पर लेज़रों की आवश्यकता के लिए शांत होता है, भले ही एक मुश्किल एक ( )। प्रयोगात्मक रूप से कई अन्य आयनों का उपयोग किया गया है, जिनमें , और क्रिस मुनरो की "IX आवर्त सारणी" में महत्वपूर्ण गुणों का अच्छा चित्रण पाया जा सकता है ।$7/2$$\ce{^9Be^+}$$313\ \mathrm{nm}$$\ce{Sr^+}$$\require{\mhchem}\ce{Hg^+}$