存储环中的冷离子束作为大规模量子计算机与模拟器平台：研发挑战与方向
量子物理
2021-09-22 v1
摘要
本文旨在评估构建一种大规模存储环型离子阱系统的可能性，该系统能够存储、冷却并控制大量离子，作为可扩展量子计算（QC）与量子模拟（QS）的平台。在此类阱中，离子形成晶体束，沿圆周路径运动，其恒定速度由冷却激光的频率与强度决定。本文考虑在量子比特数量上实现巨大飞跃：从当今最先进的线性离子阱器件中少于100个，提升至存储环装置中约10^5个结晶离子。这一新型阱设计统一了两个不同概念：带电粒子的存储环与用于QC和质谱的线性离子阱。本文采用粒子加速器的语言来讨论离子状态与动力学。我们概述了上述概念间的差异，分析了具有旋转离子束的大型环所面临的挑战，并提出了使未来量子计算机量子比特数较当今增加1000倍所需研发的目标。在维持量子比特必要相干性与量子逻辑操作高保真度的同时创建如此大规模量子系统，其挑战是巨大的。执行模拟量子模拟可能是该装置一个可实现的初期目标。对复杂量子系统的量子模拟将推动基础科学与应用研究的发展。核与粒子物理、多体量子系统、格点规范理论与核结构计算仅是其中数例，大规模量子模拟系统将是推进我们对自然理解的强有力工具。
引用
@article{arxiv.2101.04247,
title = {Cold ion beam in a storage ring as a platform for large-scale quantum computers and simulators: challenges and directions for research and development},
author = {Timur Shaftan and Boris B. Blinov},
journal= {arXiv preprint arXiv:2101.04247},
year = {2021}
}