Komplekse kvantesystemer kan bli så krevende å simulere at selv kraftige superdatamaskiner får problemer. Forskere ved Rice University har derfor utviklet en kompakt, tredimensjonal ionefelle som kan gjøre slike systemer lettere å undersøke under kontrollerte laboratorieforhold.

Den nye konstruksjonen fungerer med tunge ioner som ytterbium. Det løser en begrensning ved tidligere monolittiske feller, som i større grad var tilpasset lettere ioner. Forskere fra Duke University og selskapet Translume Inc. samarbeidet med Rice-teamet.

Simulerer kvantesystemer i laboratoriet

Kvantesimulatorer brukes til å gjenskape systemer som er vanskelige å modellere direkte. I eksperimenter med fangede ioner holder elektriske felt ladde atomer på plass, mens lasere styrer samspillet mellom dem. Forskerne måler deretter ionene for å forstå systemet de representerer.

Tradisjonelle feller med bladformede elektroder kan gi gode resultater, men krever manuell montering. Det gjør det vanskeligere å produsere identiske feller på en pålitelig måte. Mikroproduserte feller på brikker gir bedre presisjon og kan være enklere å skalere, men har ofte hatt problemer med å matche ytelsen til de tradisjonelle løsningene.

Fysikeren Guido Pagano ved Rice University og kollegene hans ønsket å kombinere fordelene i en kompakt, tredimensjonal konstruksjon. Tidligere monolittiske feller hadde fungert med lettere ioner, blant annet kalsium, mens tunge ioner skapte flere tekniske utfordringer.

Bygget i smeltet silikaglass

Teamet tok utgangspunkt i en blokk av smeltet silikaglass. Ved hjelp av lasere og kjemisk behandling laget forskerne kanaler for ionene og spor til elektrodene. Elektrodene ble deretter montert, før hele strukturen ble belagt med sputtert gull.

Sporene bidro til å isolere elektrodene og hindre kortslutninger under produksjonen. De reduserte også risikoen for elektrisk gjennomslag når fellen ble utsatt for høy spenning inne i et vakuum.

Den første prototypen avdekket likevel et alvorlig problem. Da forskerne satte på den nødvendige radiofrekvensspenningen, oppsto både termiske og elektriske problemer. Fellen begynte til og med å gløde synlig fordi den ble så varm.

En andre versjon fjernet de viktigste feilene, men introduserte uønsket aksial mikrobevegelse og høy oppvarmingsrate for ionene. Begge deler kunne svekke den presise kontrollen som kreves i pålitelige kvanteeksperimenter.

Den tredje generasjonen løste hovedproblemene

I den tredje generasjonen forbedret forskerne varmeavledningen og reduserte ionenes bevegelse. De brukte også en plasmabasert overflatebehandling for å senke oppvarmingsraten.

Paganos laboratorium og samarbeidspartnerne ved Duke testet de ferdige fellene én for én. Målingene stemte overens med tidligere datasimuleringer, noe som bekreftet at enhetene fungerte som planlagt.

Den nye utformingen kan gjøre eksperimenter med fangede ioner enklere å gjenta ved universiteter og andre akademiske laboratorier. At fellen kan brukes med ytterbium, utvider samtidig utvalget av ioner som kan inngå i monolittiske, tredimensjonale feller.

Abhishek Menon, studiens hovedforfatter og doktorgradsstudent, sa at arbeidet med de tekniske utfordringene ved tunge ioner også kan gjøre det enklere å fange lettere ioner.

Kan brukes til å studere komplekse prosesser

Teknologien kan bidra til undersøkelser av komplekse prosesser, blant annet ladningsoverføring under fotosyntesen. I stedet for å forsøke å modellere et helt kvantesystem direkte, kan forskere bruke kontrollerte eksperimenter for å studere hvordan systemet oppfører seg.

Roman Zhuravel, medforfatter av studien og assisterende forskningsprofessor i Paganos laboratorium, sa at fellen kan hjelpe forskere med å dele vanskelige kvanteproblemer opp i mer håndterlige eksperimenter.

Utformingen gir laboratorier et nytt verktøy for å studere systemer som konvensjonelle datamaskiner har problemer med å simulere. Ingeniørarbeidet kan også gi innspill til framtidige ionefeller for et bredere spekter av kvanteteknologier.

Studien er publisert i tidsskriftet Physical Review Applied.