Los científicos del Joint Quantum Institute (JQI) han mejorado constantemente el rendimiento de los sistemas de trampa de iones, una plataforma líder para las futuras computadoras cuánticas. Ahora, un equipo de investigadores dirigido por los becarios de JQI Norbert Linke y Christopher Monroe ha realizado un experimento clave en cinco bits cuánticos basados ​​en iones, o qubits. Utilizaron pulsos de láser para crear simultáneamente conexiones cuánticas entre diferentes pares de qubits, la primera vez que este tipo de operaciones paralelas se han ejecutado en una trampa de iones. El nuevo estudio, que es un paso crítico hacia la computación cuántica a gran escala, fue publicado el 24 de julio en la revista Naturaleza .

"Cuando se trata de los requisitos de escala para una computadora cuántica, iones atrapados marcan todas las casillas, "dice Monroe, quien también es profesor de Bice-Sechi Zorn en el Departamento de Física de la UMD y cofundador de la startup de computación cuántica IonQ. "Hacer que estas operaciones paralelas funcionen ilustra aún más que el avance de los procesadores cuánticos de trampa de iones no está limitado por la física de los qubits y, en cambio, está ligado a la ingeniería de sus controladores".

Las trampas de iones son dispositivos para capturar átomos y moléculas cargados, y se utilizan comúnmente para análisis químicos. En décadas recientes, Los físicos e ingenieros han combinado trampas de iones con sofisticados sistemas láser para ejercer control sobre iones atómicos individuales. Hoy dia, este tipo de hardware es uno de los más prometedores para construir una computadora cuántica universal.

La trampa de iones JQI utilizada en este estudio está hecha de electrodos recubiertos de oro, que transportan los campos eléctricos que confinan los iones de iterbio. Los iones quedan atrapados en el medio de la trampa donde forman una línea, cada uno separado de su vecino por unas pocas micras. Esta configuración permite a los investigadores tener un control preciso sobre los iones individuales y configurarlos como qubits.

Cada ion tiene niveles de energía internos o estados cuánticos que están naturalmente aislados de las influencias externas. Esta característica los hace ideales para almacenar y controlar información cuántica, que es notoriamente delicado. En este experimento, el equipo de investigación utiliza dos de estos estados, llamado "0" y "1, "como el qubit.

Los investigadores apuntan pulsos de láser a una cadena de qubits para ejecutar programas en esta computadora cuántica a pequeña escala. Los programas, también llamados circuitos, se dividen en un conjunto de puertas de uno y dos qubit. Una puerta de un solo qubit puede, por ejemplo, cambiar el estado de un ion de 1 a 0. Esta es una tarea sencilla para un pulso láser. Una puerta de dos qubits requiere pulsos más sofisticados porque implica adaptar las interacciones entre qubits. Ciertas operaciones de dos qubits pueden crear entrelazamientos (una conexión cuántica necesaria para el cálculo cuántico) entre dos qubits.

Hasta ahora, Los circuitos en las computadoras cuánticas con trampa de iones se han limitado a una secuencia de puertas individuales, Uno después del otro. Con esta nueva demostración, los investigadores ahora pueden hacer puertas de dos qubit en paralelo, creando enredos entre diferentes pares de iones simultáneamente. El equipo de investigación logró esto optimizando las secuencias de pulso láser utilizadas para realizar las operaciones, asegurándose de cancelar las interacciones láser-qubit no deseadas. De este modo, pudieron implementar con éxito puertas de enredo simultáneas en dos pares de iones separados.

Según los autores, Las puertas de entrelazamiento paralelas permitirán a los programas corregir errores durante un cálculo cuántico, un requisito casi seguro en las computadoras cuánticas con muchos más qubits. Además, una computadora cuántica que factoriza grandes números o simula la física cuántica probablemente necesitará operaciones de entrelazado paralelo para lograr una ventaja de velocidad sobre las computadoras convencionales.