トラップイオン量子コンピューターはどのような種類のイオンを使用しますか？

トラップイオン量子コンピューターは、大規模な量子計算を実現するための最も有望なアプローチの1つです。一般的な考え方は、キュービットを各イオンの電子状態にエンコードし、次に電磁力を介してイオンを制御することです。

この文脈で、トラップイオンシステムの実験的実現ではイオンを使用することがよくあります（例：1803.10238を参照）。これは常にそうですか？そうでない場合、他の種類のイオンは何ですか、またはこれらの種類のトラップされたイオンシステムを構築するために使用できますか？トラップされたイオンデバイスを構築するためにイオンを便利に使用する必要がある主な特徴は何ですか？${}^{40}\!\operatorname{Ca}^+$

$\require{\mhchem}$

イオントラップベースの量子計算または関連する実験で使用されているイオン種は、リストするには数が多すぎます。次に強い、通常：通常の選択は単独でイオン化したときに、ある1、水素のような彼らのレーザー分光のための便利な影響を有している$20$MHz幅の遷移は、レーザーでアクセス可能なスペクトルのUVまたは青の端にあります（単一のイオン化よりも高いイオン化で水素のようになる必要があるイオンのように、真空UVではありません）。また、スペクトルは比較的単純なままです（水素のような場合）。つまり、独自のレーザーを再ポンパーレーザーとして必要とする可能性がある他の状態の数が限られています。それは、測定および状態の準備で使用できるため（または、通常、1つのキュービット状態を表すため）、リカンパーレーザーを必要とする1つの光学的準安定状態を持つことが有利な場合があります。

最後に、通常は（常にではありませんが）超微細構造を持つイオンが必要です。これにより、量子ビット状態としていくつかのエネルギー間隔のみを持つ超微細状態を使用できるためです。これらの状態は、崩壊時間が1世紀に及ぶため、有利です。つまり、自然崩壊から単純にデコヒーレンスがないことを意味します（ただし、磁場からのデコヒーレンスはありますが、適切に選択された状態では、線形ではなく、2次式のみになります）。依存）。$\mathrm{GHz}$

低質量イオンを使用すると、より高い運動周波数でイオントラップを構築できるため、便利です（電荷対質量比が高い場合、イオンはより強く閉じ込められます）。高い運動周波数は、イオントラップ内部の（異常な）加熱が少なく、キュービットゲート速度が速くなる可能性があることを意味します。$2$

最も人気のあるイオン種の1つは、です。これは、必要なレーザーがすべてスペクトル領域（IRおよび可視）にあり、比較的簡単に構築でき、便利なメタステーブルがあるためです。幅が約状態（および、幅が約あるものは無関係）であり、核スピンがため、特に単純な超微細構造を持っています。はほぼ同じです：超微細構造がなくても生活できる場合、は、レーザー要件を等しく単純にし、レーザーを$\ce{^{171}Yb^+}$$1\ \mathrm{Hz}$$1\ \mathrm{nHz}$$1/2$$\ce{Ca^+}$$\ce{^{40}Ca^+}$$\ce{^{43}Ca^+}$核スピンにより、かなり複雑な構造になる代わりに、超微細構造が得られます。一部のグループはを追求します。は非常に軽量で、難しい波長ですが（）、本質的に同じ波長のレーザーのみを必要とします。、など、他の多くのイオンが実験的に使用されており、重要な特性の優れた描写は、Chris Monroeの「Ion Periodic Table」にあります。$7/2$$\ce{^9Be^+}$$313\ \mathrm{nm}$$\ce{Sr^+}$$\require{\mhchem}\ce{Hg^+}$