Масштабируемая архитектура для квантовых вычислений на холодных ионах

Формирование и контроль над запутанными состояниями в протяжённых цепочках захваченных ионов являются фундаментальной проблемой на пути к созданию квантового симулятора или вычислителя. Существующие подходы, основанные на механическом перемещении подцепочек ионов (шаттлинге) для организации параллельных операций, вносят значительные возмущения в квантовую систему, что ограничивает общую точность вычислений и увеличивает время их выполнения. Таким образом, актуальной задачей является разработка методов, позволяющих осуществлять высокоточное параллельное манипулирование состояниями кубитов в статической, но перестраиваемой конфигурации ионной цепочки, исключающей необходимость в шаттлинге. В рамках диссертационного исследования предложен и исследован комплексный подход к решению этой задачи. В его основе лежит разработанный нами дизайн сегментированной поверхностной ловушки, который позволяет динамически формировать потенциал, конфигурируя ионную цепочку и управляя колебательными связями между ионами без их физического перемещения. Для выполнения квантовых логических операций в такой статической конфигурации предложен и теоретически обоснован метод селективной адресации отдельных ионов с помощью встречных оптических гребёнок, обеспечивающий высокую пространственную и спектральную селективность. Наконец, для эффективного считывания состояний кубитов впервые была экспериментально реализована и интегрирована в конструкцию ловушки высокоэффективная система детектирования на основе сверхпроводящего нанопроводникового однофотонного детектора (SNSPD) из плёнок NbN с высоким критическим током.