Sandia National Laboratories hat das erste Los einer neuen Weltklasse-Ionenfalle hergestellt, einer zentralen Komponente für bestimmte Quantencomputer. Das neue Gerät mit dem Namen „Enchilada-Falle“ ermöglicht es Wissenschaftlern, leistungsstärkere Maschinen zu bauen, um das experimentelle, aber möglicherweise revolutionäre Gebiet des Quantencomputings voranzutreiben.
Zusätzlich zu den in Sandia betriebenen Fallen wurden im Juli mehrere Fallen zur Analyse und Prüfung an die Duke University geliefert. Duke und Sandia sind Forschungspartner über den Quantum Systems Accelerator, eines von fünf US-amerikanischen National Quantum Information Science Research Centers.
Eine Ionenfalle ist eine Art Mikrochip, der elektrisch geladene Atome oder Ionen enthält. Mit mehr eingefangenen Ionen oder Qubits kann ein Quantencomputer komplexere Algorithmen ausführen.
Die Enchilada-Falle kann bis zu 200 Qubits speichern und transportieren, eine Steigerung gegenüber dem Maximum von 32 in Sandias vorheriger Version, der Roadrunner-Falle. Beide Versionen werden in der Fertigungsanlage für Mikrosystemtechnik, Wissenschaft und Anwendungen von Sandia hergestellt.
Laut Daniel Stick, einem Sandia-Wissenschaftler und führenden Forscher am Quantum Systems Accelerator, wird ein Quantencomputer mit bis zu 200 Qubits und aktuellen Fehlerraten einen herkömmlichen Computer bei der Lösung nützlicher Probleme nicht übertreffen. Es wird Forschern jedoch ermöglichen, eine Architektur mit vielen Qubits zu testen, die in Zukunft anspruchsvollere Quantenalgorithmen für Physik, Chemie, Datenwissenschaft, Materialwissenschaften und andere Bereiche unterstützen wird.
„Wir bieten dem Bereich Quantencomputer Raum für die Entwicklung und Erforschung größerer Maschinen und komplizierterer Programmierung“, sagte Daniel.
Die Enchilada-Falle, hergestellt in der Fabrik für Mikrosystemtechnik, Wissenschaft und Anwendungen. Bildnachweis: Craig Fritz
Ein zukunftsweisendes Design
Sandia erforscht, baut und testet seit 20 Jahren Ionenfallen. Um eine Reihe von Designherausforderungen zu meistern, kombinierte das Team institutionelles Wissen mit neuen Innovationen.
Zum einen benötigten sie Platz für mehr Ionen und eine Möglichkeit, diese für komplexe Berechnungen neu anzuordnen. Die Lösung war ein Netzwerk aus Elektroden, das sich ähnlich einem Stammbaum oder einer Turnierklammer verzweigt. Jeder schmale Zweig dient als Ort zum Speichern und Transportieren von Ionen.
Sandia hatte in früheren Fallen mit ähnlichen Verbindungen experimentiert. Stick glaubt, dass die Verzweigungsarchitektur derzeit die beste Lösung für die Neuanordnung gefangener Ionen-Qubits ist und geht davon aus, dass zukünftige, noch größere Versionen der Falle ein ähnliches Design aufweisen werden.
Ein weiteres Problem war die Verlustleistung an elektrischer Energie in der Enchilada-Falle, die zu erheblicher Hitzeentwicklung führen konnte, die zu vermehrtem Ausgasen von Oberflächen, einem höheren Risiko eines Stromausfalls und einem erhöhten elektrischen Feldrauschen führen konnte. Um dieses Problem anzugehen, haben Produktionsspezialisten neue mikroskopische Merkmale entwickelt, um die Kapazität bestimmter Elektroden zu reduzieren.
„Unser Team blickt immer nach vorne“, sagte Zach Meinelt von Sandia, der leitende Integrator des Projekts. „Wir arbeiten mit Wissenschaftlern und Ingenieuren zusammen, um herauszufinden, welche Art von Technologie, Funktionen und Leistungsverbesserungen sie in den kommenden Jahren benötigen. Anschließend entwerfen und fertigen wir Fallen, um diese Anforderungen zu erfüllen, und suchen ständig nach Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung.“