De los muchos enfoques divergentes para construir una computadora cuántica práctica, uno de los caminos más prometedores conduce hacia las trampas de iones. En estas trampas Los iones individuales se mantienen quietos y sirven como unidades básicas de datos, o qubits, de la computadora. Con la ayuda de láseres, estos qubits interactúan entre sí para realizar operaciones lógicas.

Los experimentos de laboratorio con pequeñas cantidades de iones atrapados funcionan bien, pero queda mucho trabajo por descubrir las partes básicas de una computadora cuántica con trampa de iones escalable. ¿Qué tipo de iones se deben utilizar? Qué tecnologías podrán controlar, manipular, y leer la información cuántica almacenada en esos iones?

Para responder a estas preguntas, Los investigadores del Laboratorio Lincoln del MIT han recurrido a un par prometedor:iones de calcio (Ca) y estroncio (Sr). En un artículo publicado en npj Quantum Information, el equipo describe el uso de estos iones para realizar operaciones de lógica cuántica y considera que son favorables para múltiples arquitecturas de computación cuántica. Entre sus ventajas, estos iones se pueden manipular mediante el uso de luz visible e infrarroja, a diferencia del ultravioleta, que es necesario para muchos tipos de iones que se utilizan en experimentos. A diferencia de la luz ultravioleta, Ya existe una tecnología que podría entregar luz visible e infrarroja a una gran variedad de iones atrapados.

"¿Qué tipo de arquitectura de procesamiento de información cuántica es factible para los iones atrapados? Si resulta que será mucho más difícil usar una determinada especie de iones". sería importante saber desde el principio, antes de que te dirijas por ese camino, "dice John Chiaverini, personal superior del Grupo de Nanosistemas Integrados e Información Cuántica. "Creemos que no tendremos que inventar un sistema de ingeniería completamente nuevo, y no resolver un nuevo grupo de problemas, utilizando estas especies de iones ".

Frío y calculador

Para atrapar iones, los científicos comienzan con una cámara de vacío de acero, colocando electrodos en un chip que se enfría a casi 450 grados bajo cero Fahrenheit. Los átomos de Ca y Sr fluyen hacia la cámara. Múltiples láseres eliminan electrones de los átomos, convirtiendo los átomos de Ca y Sr en iones. Los electrodos generan campos eléctricos que atrapan los iones y los mantienen a 50 micrómetros por encima de la superficie del chip. Otros láseres enfrían los iones, manteniéndolos en la trampa.

Luego, los iones se juntan para formar un cristal de Ca + / Sr +. Cada tipo de ion juega un papel único en esta asociación. El ion Sr alberga el qubit para el cálculo. Resolver un problema, una computadora cuántica quiere saber el nivel de energía, o estado cuántico, del electrón más externo de un ion. El electrón podría estar en su nivel de energía más bajo o en su estado fundamental (indicado), algún nivel de energía más alto o estado excitado (denotado), o ambos estados a la vez. Esta extraña habilidad de estar en múltiples estados simultáneamente se llama superposición, y es lo que da a las computadoras cuánticas el poder de probar muchas soluciones posibles a un problema a la vez.

Pero la superposición es difícil de mantener. Una vez que se observa un qubit, por ejemplo, al usar luz láser para ver en qué nivel de energía se encuentra su electrón, se colapsa en uno o en cero. Para hacer una computadora cuántica práctica, los científicos necesitan idear formas de medir los estados de solo un subconjunto de los qubits de la computadora sin perturbar todo el sistema.

Esta necesidad nos devuelve al papel del ion Ca, el qubit auxiliar. Con una masa similar al ion Sr, quita energía extra del ion Sr para mantenerlo fresco y ayudarlo a mantener sus propiedades cuánticas. Luego, los pulsos de láser empujan a los dos iones a entrelazarse, formando una puerta a través de la cual el ion Sr puede transferir su información cuántica al ion Ca.

"Cuando dos qubits se entrelazan, sus estados dependen unos de otros. Son los llamados 'escalofriantemente correlacionados, '", Dijo Chiaverini. Esta correlación significa que leer el estado de un qubit te dice el estado del otro. Para leer este estado, los científicos interrogan al ion Ca con un láser a una longitud de onda con la que solo interactuará el electrón del ion Ca, dejando el ion Sr sin afectar. Si el electrón está en el estado fundamental, emitirá fotones, que son recogidos por detectores. El ion permanecerá oscuro si se encuentra en un estado metaestable excitado.

"Lo bueno de usar este ión auxiliar para la lectura es que podemos usar longitudes de onda que no impacten en los iones computacionales que lo rodean; la información cuántica se mantiene saludable. Entonces, el ayudante cumple una doble función; elimina la energía térmica del ion Sr y tiene una diafonía baja cuando quiero leer solo ese qubit, "dice Colin Bruzewicz, que construyó el sistema y dirigió la experimentación.

La fidelidad del entrelazamiento de Ca + / Sr + en su experimento fue del 94 por ciento. La fidelidad es la probabilidad de que la puerta entre los dos qubits produjera el estado cuántico que se esperaba:que el entrelazamiento funcionara. La fidelidad de este sistema es lo suficientemente alta como para demostrar la funcionalidad básica de la lógica cuántica, pero aún no lo suficientemente alto para una computadora cuántica completamente corregida. El equipo también entrelazó iones en diferentes configuraciones, como los dos iones en los extremos de una cuerda Sr + / Ca + / Sr +, con similar fidelidad.

Una coincidencia de longitud de onda

En la actualidad, la configuración de la trampa de iones es grande y coreografia el uso de 12 láseres de diferentes colores. Estos láseres fluyen a través de las ventanas de la cámara criogénica y tienen como objetivo golpear los iones. Una computadora cuántica práctica, una que pueda resolver problemas mejor que una computadora clásica, necesitará una matriz de miles o incluso millones de iones. En ese escenario, sería prácticamente imposible golpear con precisión los iones correctos sin alterar los estados cuánticos en los iones vecinos. Los investigadores del Laboratorio Lincoln han estado trabajando durante los últimos años en una forma de enviar los láseres a través de "rejillas" en el chip sobre el que flotan los iones. Este chip fotónico integrado simplifica la configuración y asegura que el láser correcto golpee el objetivo deseado. El año pasado, el equipo logró la primera demostración exitosa de una baja pérdida, Plataforma fotónica integrada con suministro de luz que va desde el espectro visible al infrarrojo.

Convenientemente, las longitudes de onda necesarias para enfriar los iones Ca y Sr, enredarlos, y leerlos todos caen dentro de este mismo espectro. Esta superposición simplifica los requisitos de láser del sistema, a diferencia de otros pares de iones, cada uno de los cuales requiere longitudes de onda muy diferentes. "Estos iones se prestan para ser usados ​​con fotónica integrada. Son una coincidencia de longitud de onda. Tiene sentido de ingeniería usarlos, "Dice Bruzewicz.

Además, muchos tipos de iones atrapados que los científicos cuánticos están explorando necesitan luz ultravioleta para su excitación. Pero puede resultar difícil trabajar con la luz ultravioleta. Las guías de onda y otros dispositivos fotónicos que llevan la luz a los iones tienden a perder algo de luz en el camino. La entrega de luz ultravioleta a sistemas de iones atrapados a gran escala requeriría mucha más energía, o la ingeniería de nuevos materiales que experimentan menos pérdidas.

"Es mucho más sencillo trabajar con esta luz que con la ultravioleta, especialmente cuando empiezas a juntar muchos de estos iones. Pero ese es el desafío:nadie sabe realmente qué tipo de arquitectura permitirá la computación cuántica que sea útil. El jurado aún está deliberando, Chiaverini reflexiona. En este caso, estamos pensando en lo que podría ser más ventajoso para ampliar un sistema. Estos iones son muy susceptibles a eso ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.