Skalierbare verschränkende Gatter auf Ionen-Qubits mittels strukturierter Lichtadressierung

Eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung praktischer Quantenprozessoren ist die Aufrechterhaltung einer niedrigen Steuerkomplexität bei gleichzeitiger Skalierung auf eine große Anzahl von Qubits. Gefangene-Ionen-Systeme zeichnen sich bei Operationen im kleinen Maßstab aus und unterstützen eine schnelle Skalierung von Qubits durch Langketten-Architekturen. Ihre Leistungsfähigkeit in größeren Systemen wird jedoch durch spektrale Überlagerungen in radialen Bewegungsmodi beeinträchtigt, ein Problem, das den Einsatz aufwändiger Pulsgestaltungstechniken zur Erhaltung der Gattertreue erzwingt. Hier überwinden wir diese Herausforderung durch die Entwicklung eines neuartigen gefangenen-Ionen-Prozessors mit einem individuellen Adressierungssystem, das steuerbare Hermite-Gaussian-Strahlarrays erzeugt. Der transversale Gradienten dieser Strahlen koppelt Qubits selektiv an spärliche axiale Bewegungsmodi, wodurch sich ein einzelner Modus als Verschränkungsvermittler isolieren lässt. Unter Ausnutzung dieser Fähigkeit demonstrieren wir adressierbare verschränkende Zwei-Qubit-Gatter in Ketten von bis zu sechs Ionen mit Fidelitäten von konstant etwa 0,97, die ohne komplexe Pulsgestaltung erzielt werden. Unsere Methode reduziert den Steuerungsaufwand erheblich bei gleichzeitiger Erhaltung der Skalierbarkeit und stellt damit einen entscheidenden Fortschritt für praktische großskalige Quantensysteme mit gefangenen Ionen dar.