ALBUQUERQUE, NM – 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.
Die Enchilada-Falle, hergestellt in der Produktionsstätte für Mikrosystemtechnik, Wissenschaft und Anwendungen der Sandia National Laboratories. Foto von Craig Fritz/Sandia National Labs
Zusätzlich zu den in Sandia betriebenen Fallen werden an der Duke University mehrere Fallen zur Durchführung von Quantenalgorithmen eingesetzt. Duke und Sandia sind Forschungspartner im Rahmen des Quantensystembeschleunigereines von fünf US-amerikanischen National Quantum Information Science Research Centers, die vom Office of Science des Energieministeriums finanziert werden.
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.
Mit ausreichender Steuerungshardware könnte die Enchilada-Falle bis zu 200 Qubits speichern und transportieren, indem sie ein Netzwerk aus fünf Fangzonen nutzt, das von ihrem Vorgänger, der Roadrunner-Falle, inspiriert ist. Beide Versionen werden in der Fertigungsanlage für Mikrosystemtechnik, Wissenschaft und Anwendungen von Sandia hergestellt.
Raymond Haltli optimiert die Parameter für die Platzierung von Golddrahtbonds auf einer Ionenfalle. Nachdem die Tür geschlossen wurde, läuft sie automatisch und legt bis zu 7 Drähte pro Sekunde ab. Foto von Craig Fritz/Sandia National Labs
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 Stick.
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.
Jonathan Sterk zeigt auf den Abschnitt einer Ionenfalle, in der sich gefangene Ionen-Qubits in einer Nahaufnahme der Falle in einer Vakuumkammer bewegen Sandia National Laboratories. Foto von Craig Fritz
Sandia hatte in früheren Fallen mit ähnlichen Verbindungen experimentiert. Die Enchilada-Falle verwendet das gleiche Design in gekachelter Form, sodass sie die Skalierungseigenschaften einer kleineren Falle erkunden kann. 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 werden. Anschließend entwerfen und fertigen wir Fallen, die diese Anforderungen erfüllen, und suchen ständig nach Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung.“
Sandia National Laboratories ist ein Multimissionslabor, das von National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, einer hundertprozentigen Tochtergesellschaft von Honeywell International Inc., für die National Nuclear Security Administration des US-Energieministeriums betrieben wird. Sandia Labs hat große Forschungs- und Entwicklungsverantwortung in den Bereichen nukleare Abschreckung, globale Sicherheit, Verteidigung, Energietechnologien und wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit und verfügt über Hauptstandorte in Albuquerque, New Mexico, und Livermore, Kalifornien.
Neu veröffentlicht von Sandia National Laboratories.
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