1. Właściwości fizyczne jonów

Jony atomowe charakteryzują się właściwościami przydatnymi w przetwarzaniu informacji kwantowej. Aby zrozumieć, dlaczego właśnie jony stały się jedną z wiodących platform kwantowych, musimy przyjrzeć się ich fundamentalnym cechom fizycznym.

Naturalna izolacja stanowi pierwszą i być może najważniejszą zaletę jonów. Jon uwięziony w próżni jest niemal całkowicie odizolowany od otoczenia, co jest kluczowe dla zachowania delikatnych stanów kwantowych. W warunkach ultra-wysokiej próżni, gdzie ciśnienie spada poniżej \(10^{-11}\) mbar, średni czas między zderzeniami jonu z cząsteczkami gazu resztkowego przekracza 1000 s. Ta wartość jest imponująca — oznacza to, że jon może przebywać w pułapce przez ponad kwadrans bez jakiejkolwiek interakcji z otoczeniem. Jest to czas o rzędy wielkości dłuższy niż typowe czasy operacji kwantowych, które wynoszą mikro- lub milisekundy. Ta naturalna izolacja wynika z faktu, że jon, będąc naładowaną cząstką, może być uwięziony przez pola elektromagnetyczne w próżni, bez potrzeby jakiegokolwiek materialnego podłoża czy otoczenia.

Identyczność wszystkich jonów tego samego izotopu to kolejna fundamentalna zaleta. W przeciwieństwie do wielu innych platform kwantowych, gdzie różnice między poszczególnymi kubitami stanowią poważne wyzwanie, jony są absolutnie identyczne. Różnice w poziomach energetycznych między poszczególnymi jonami tego samego izotopu są niemierzalne w skali dokładności współczesnych eksperymentów. Ta perfekcyjna identyczność wynika z podstawowych praw przyrody — wszystkie atomy danego pierwiastka i izotopu są nierozróżnialne. Eliminuje to problem niejednorodności, który jest szczególnie dotkliwy w systemach półprzewodnikowych czy nadprzewodzących, gdzie lokalne defekty i fluktuacje materiałowe prowadzą do znaczących różnic między kubitami.

Długie czasy koherencji są bezpośrednią konsekwencją naturalnej izolacji i słabego sprzężenia z otoczeniem. Stany wewnętrzne jonów mogą zachowywać koherencję kwantową przez niezwykle długi czas. Czas relaksacji podłużnej \(T_1\), opisujący zanik populacji stanu wzbudzonego, wynosi typowo od 1 s do 10 s dla standardowych kubitów. Czas relaksacji poprzecznej \(T_2\), charakteryzujący utratę koherencji fazowej, osiąga wartości od 0.1 s do 1 s. Dla specjalnych przejść zegarowych, gdzie czułość na zaburzenia zewnętrzne jest dodatkowo zredukowana, czasy \(T_2\) mogą przekraczać 60 s — to ponad minuta zachowania delikatnej superpozycji kwantowej! Te czasy są o wiele dłuższe niż np. dla kubitów nadprzewodzących i stanowią ogromną przewagę jonów.

Precyzja kontroli nad stanami jonów jest możliwa dzięki rozwiniętym technikom laserowym. Współczesna technologia pozwala na manipulację stanami jonów z wiernością przekraczającą 99.9%. Oznacza to, że na tysiąc operacji kwantowych, średnio mniej niż jedna kończy się błędem. Ta precyzja wynika z doskonałego zrozumienia fizyki oddziaływania jonów ze światłem oraz z możliwości bardzo dokładnej kontroli parametrów laserów, takich jak częstotliwość, faza czy rozkład natężenia. Co więcej, błędy w operacjach na jonach są zazwyczaj dobrze scharakteryzowane i można je częściowo kompensować poprzez odpowiednie sekwencje korekcyjne.