Que tipos de íons os computadores quânticos de íons presos usam?

Os computadores quânticos de íons presos estão entre as abordagens mais promissoras para obter computação quântica em larga escala. A idéia geral é codificar os qubits nos estados eletrônicos de cada íon e controlar os íons por meio de forças eletromagnéticas.

Nesse contexto, vejo frequentemente que a realização experimental de sistemas de íons presos usa Iões Ca + (ver, por exemplo,1803.10238). Esse é sempre o caso? Caso contrário, que outros tipos de íons são ou podem ser usados ​​para construir esses tipos de sistemas de íons presos? Quais são as principais características que os íons devem ter para serem convenientemente usados ​​para construir dispositivos de íons presos?${}^{40}\!\operatorname{Ca}^+$

$\require{\mhchem}$

Há quase muitas espécies de íons na lista que foram usadas na computação quântica baseada em armadilhas de íons ou em experiências relacionadas. A escolha habitual é de um ou seja, quando isoladamente ionizado, hidrogênio-como o que tem consequências convenientes para sua espectroscopia a laser: Em seguida, um forte, tipicamente$20$A transição de largura de MHz encontra-se no extremo UV ou azul do espectro acessível a laser (e não no vácuo-UV, como seria para íons que precisam de mais do que uma ionização única para se tornarem semelhantes ao hidrogênio). Além disso, o espectro permanece relativamente simples (se for semelhante ao hidrogênio), o que significa que há um número limitado de outros estados que podem precisar de seu próprio laser como laser repumper. Pode ser vantajoso ter um estado óptico metaestável que precise de um laser de repetidor, pois pode ser usado em medições e preparações de estado (ou, atipicamente, para representar um estado de qubit).

Finalmente, você normalmente (mas nem sempre) deseja um íon que tenha uma estrutura hiperfina porque isso permite que você use estados hiperfinos com apenas alguns espaçamentos de energia como estados de qubit. Esses estados são vantajosos porque possuem tempos de decaimento de um século, o que significa que você praticamente não tem descoerência simplesmente do decaimento espontâneo (mas você tem descoerência de campos magnéticos, para os quais os estados bem escolhidos não têm, no entanto, linear e apenas um quadrático). dependência).$\mathrm{GHz}$

Também é conveniente ter um íon de baixa massa, pois isso permite que você construa uma armadilha de íons com frequências de movimento mais altas (o íon fica mais fortemente confinado se a taxa de carga / massa for alta). As altas frequências de movimento implicam menos aquecimento (anômalo) dentro da armadilha de íons e a possibilidade de velocidades mais altas do portão de bits.$2$

Uma das espécies de íons mais populares é porque você possui todos os lasers necessários em uma região espectral (IV e visível) onde é possível construí-los com relativa simplicidade e há uma metaestável conveniente estado de cerca de largura (e um com cerca de largura que é irrelevante) e possui uma estrutura hiperfina particularmente simples devido ao seu giro nuclear de . é quase tão bom: se você pode viver sem uma estrutura hiperfina, possui requisitos de laser igualmente simples e uma massa relativamente baixa, enquanto ajusta seus lasers para$\ce{^{171}Yb^+}$ 1 n H z 1 / 2 Ca +$1\ \mathrm{Hz}$$1\ \mathrm{nHz}$$1/2$$\ce{Ca^+}$$\ce{^{40}Ca^+}$$\ce{^{43}Ca^+}$você ganha uma estrutura hiperfina às custas de ser bastante complicada devido à rotação nuclear de . Alguns grupos buscam que é legal por ser tão leve e por precisar apenas de lasers essencialmente com o mesmo comprimento de onda, embora difícil ( ). Muitos outros íons foram utilizados experimentalmente, incluindo , e uma boa descrição das propriedades importantes pode ser encontrada na "Tabela Periódica de Íons" de Chris Monroe .$7/2$$\ce{^9Be^+}$Sr + Hg $313\ \mathrm{nm}$$\ce{Sr^+}$$\require{\mhchem}\ce{Hg^+}$