イオントラップ量子コンピューターのスケーラビリティ

私の理解では、イオントラップ量子コンピューターでイオンを所定の位置に保持するために必要な磁場は非常に複雑であり、そのため、現在は1次元コンピューターのみが可能であるため、キュービット間の通信が容易ではありません。このプレプリントで Paulトラップを使用する2次元システムの提案があるようですが、実際にテストされているかどうかはわかりません。

イオントラップ量子コンピューターのスケーラビリティはこれだけに依存しますか（イオンを直線以外の構成に配置できるかどうか）、または他の要因が伴いますか？前者の場合、どのような進展がありましたか？後者の場合、他の要因は何ですか？

イオントラップ量子コンピューターは、磁場ではなく電気を使用して、空の空間にイオンを保持します。静的フィールド（アーンショーの定理）を使用することは不可能であるため、交番フィールドが使用されます。その効果は、イオンなどの荷電粒子が電界の最小値を求めることです。このタイプのイオントラップは、四重極トラップとも呼ばれます。これは、スペースが最小の最も単純な（最低次の）電場が四重極電場であるためです。イオンをポイントまたはラインのいずれかに閉じ込めるフィールドを配置するのは簡単で、イオントラップ量子コンピューターは後者を使用します。しかし、計算にはイオンの運動モードが関係しているため、これはスケーリングしません。イオンの数が多いと区別が難しくなります。

このアプローチをスケーラブルにするための2つのアプローチがあります。光（光子）を使用するか、そのような線形イオントラップセクション間でイオンを往復させることにより、イオンのストリングを結合します。光子の使用は特に困難であり、エラー訂正のしきい値を満たす量子コンピューターで現在実行可能なものとはほど遠いため、イオンの往復に焦点を当てましょう。

数学的に真の四重極トラップは交差点を持つように構築することはできませんが、それでも物理学者がそれらを作ることを止めていません。コツは、交差点の中心に四重極場を持つように配置することはできませんが、閉じ込めることはできることです。また、静電界を使用してイオンを閉じ込め（交番）場にわずかに駆動することにより、十分に強い閉じ込めを得ることができます。交差点を横切るこのような往復運動は、イオンを著しく加熱することなく（運動状態を変えることなく）可能であることさえ示されています。

このような交差点により、イオントラップは拡張可能です。

このSchaetz et al、Reports on Progress in Physics of 2012 " トラップされたイオンによる多体物理の実験的量子シミュレーション」（semanticscholarの代替リンク）を。要するに：はい、イオンの配置は、スケーラビリティの一つのキー制約であるがない、構成が現在原子の単一の行に限定されません。その論文で、単一のイオン、単一の線、ジグザグチェーン、3次元構造を含む、線形RFトラップの共通閉じ込めポテンシャルにおけるレーザー冷却イオンの実験蛍光画像について図3を確認してください。

Schaetzらによる上記の論文の図3から：構造的相転移は、1次元、2次元、3次元結晶間で、たとえばラジアルとアキシャルトラップ周波数の比を減らすことによって誘導できます。」レビューペーパーは存在するはずですが、これは満足のいくものであることが最初にわかったものです。確かに、現在の結果は普遍的な計算ではなく直接シミュレーションに関するものです。例えば、同じ論文の図13から：「イオンの線形チェーンからジグザグ構造への構造相転移中の実験パラメータの非断熱的な変更、結晶は、シミュレートソリトンに適している位相幾何学的に保護された欠陥に囲まれたドメインに分割します。」

同じトピックについて、また2012年から、チェックアウトする価値のある別の論文は、数百のスピンを持つトラップイオン量子シミュレーターでの2次元イジング相互作用の設計（arXivバージョン）（Natureバージョン。図1のような実験画像があります。ポールトラップではなく、この場合のペニングトラップ実際、これは普遍的な量子コンピューティングではなく、量子シミュレーションの特殊なアプリケーションですが、それでも2次元トラップ内の所定の位置にイオンを保持する方向への実験的な進歩ですしたがって、スケーラビリティに向かって進んでいます。

私自身はトラップの専門家ではありませんが、これは最近の（2017）会議でスケーラビリティについて得たものです。

• 実験者は可能性をいじって、準結晶（鎖、はしご、リボンなど）とエキゾチックな先端（たとえば、単一原子で終わるリボンまたははしご）の中央ゾーンとの興味深い組み合わせを実現します。
• $s^1$$^+$$^+$$^{14}$$^2$）にすると、イオンあたりのよりリッチなヒルベルト空間への扉が開かれます。
• 集団振動は、キュービット間通信の基礎として使用されます。前のポイントと同様に、呼吸モードは非常に安定しており、使用するのに便利ですが、他の振動にもアクセスでき、より興味深いキュービット間通信方式が可能になります。

私は実験家ではなく、これらのシステムを深く研究したことはありませんが、私の（粗い）理解は次のとおりです。

イオントラップでは、（多かれ少なかれ）イオンをラインにトラップする必要があります。ただし、これは通信の容易さという点で制限ではありません。なぜなら、おそらくあなたが考えているのは、線形システムに最近傍の相互作用があるとき、つまり各キュービットはそのすぐ隣としか相互作用できないからです。イオントラップでは、任意のペアを直接相互作用させるために、すべてのイオンの共通振動モードにアクセスできるため、これは実際には正しくありません。それで実際、それは本当に良いことです。

問題は、保存できるキュービットの数です。トラップに入れる原子の数が多いほど、エネルギーレベルが近くなり、原子を制御してゲートを実装するために個々に対処することが難しくなります。これにより、単一のトラップ領域にあるキュービットの数が制限される傾向があります。これを回避するには（エラー訂正に必要な並列性の追加ボーナスを使用して）、複数の異なるトラップ領域を、飛行キュービットと、または異なるトラップ領域間で原子を往復させることで相互作用させます。この2番目のアプローチは非常に進行中のようです。これは理論の提案ですが、基本的な構成要素を実証した論文を見たことは確かです。