Entra en un laboratorio cuántico donde los científicos atrapan iones, y encontrarás mesas de trabajo llenas de espejos y lentes, todos los láseres de enfoque para golpear un ión "atrapado" en su lugar sobre un chip. Mediante el uso de láseres para controlar los iones, Los científicos han aprendido a aprovechar los iones como bits cuánticos, o qubits, la unidad básica de datos en una computadora cuántica. Pero esta configuración de láser ahora está frenando la investigación, lo que dificulta experimentar con más de unos pocos iones y sacar estos sistemas del laboratorio para un uso real.

Ahora, Los investigadores del Laboratorio Lincoln han desarrollado una forma compacta de enviar luz láser a los iones atrapados. En un artículo publicado en Naturaleza , los investigadores describen un bloque de fibra óptica que se conecta al chip de trampa de iones, acoplamiento de luz a guías de ondas ópticas fabricadas en el propio chip. A través de estas guías de ondas, Se pueden enrutar múltiples longitudes de onda de luz a través del chip y liberarlas para golpear los iones sobre él.

"Está claro para muchas personas en el campo que el enfoque convencional, utilizando ópticas de espacio libre como espejos y lentes, solo llegará hasta cierto punto, "dice Jeremy Sage, autor del artículo y personal senior del Grupo de Nanosistemas Integrados e Información Cuántica del Laboratorio Lincoln. "Si, en cambio, se coloca la luz en el chip, se puede dirigir a los muchos lugares donde debe estar. La entrega integrada de muchas longitudes de onda puede conducir a una plataforma muy escalable y portátil. Estamos demostrando por primera vez que se puede hacer ".

Varios colores

Computar con iones atrapados requiere controlar con precisión cada ión de forma independiente. La óptica de espacio libre ha funcionado bien al controlar algunos iones en una cadena unidimensional corta. Pero al golpear un solo ion entre un cúmulo más grande o bidimensional, sin golpear a sus vecinos, es extremadamente difícil. Al imaginar una computadora cuántica práctica que requiere miles de iones, esta tarea de control láser parece poco práctica.

Ese problema inminente llevó a los investigadores a encontrar otra forma. En 2016, Los investigadores del Laboratorio Lincoln y del MIT demostraron un nuevo chip con óptica incorporada. Enfocaron un láser rojo en el chip, donde las guías de onda del chip dirigían la luz a un acoplador de rejilla, una especie de banda sonora para detener la luz y dirigirla hacia el ion.

La luz roja es crucial para realizar una operación fundamental llamada puerta cuántica, que el equipo realizó en esa primera demostración. Pero se necesitan hasta seis láseres de diferentes colores para hacer todo lo necesario para la computación cuántica:preparar el ion, enfriarlo, leer su estado energético, y realizar puertas cuánticas. Con este último chip, el equipo ha extendido su prueba de principio al resto de estas longitudes de onda requeridas, del violeta al infrarrojo cercano.

"Con estas longitudes de onda, pudimos realizar el conjunto fundamental de operaciones que necesita para poder controlar los iones atrapados, "dice John Chiaverini, también autor del artículo. La única operación que no realizaron, una puerta de dos qubit, fue demostrado por un equipo de ETH Zürich utilizando un chip similar al trabajo de 2016, y se describe en un artículo en el mismo Naturaleza asunto. "Este trabajo junto con el nuestro muestra que tiene todo lo que necesita para comenzar a construir matrices de iones atrapados más grandes, ", Agrega Chiaverini.

Fibra óptica

Para dar el salto de una a varias longitudes de onda, el equipo diseñó un método para unir un bloque de fibra óptica directamente al costado del chip. El bloque consta de cuatro fibras ópticas, cada uno específico para un cierto rango de longitudes de onda. Estas fibras se alinean con una guía de ondas correspondiente modelada directamente sobre el chip.

"Alinear la matriz de bloques de fibra con las guías de onda en el chip y aplicar el epoxi fue como realizar una cirugía. Fue un proceso muy delicado. Teníamos aproximadamente medio micrón de tolerancia y necesitábamos sobrevivir al enfriamiento a 4 Kelvin, "dice Robert Niffenegger, quien dirigió los experimentos y es el primer autor del artículo.

Encima de las guías de ondas hay una capa de vidrio. En la parte superior del vidrio hay electrodos metálicos, que producen campos eléctricos que mantienen el ion en su lugar; Se cortan agujeros en el metal sobre los acopladores de rejilla donde se libera la luz. Todo el dispositivo se fabricó en el Laboratorio de Microelectrónica del Laboratorio Lincoln.

Diseñar guías de ondas que pudieran entregar la luz a los iones con bajas pérdidas, evitando la absorción o la dispersión, fue un desafío, ya que la pérdida tiende a aumentar con longitudes de onda más azules. "Fue un proceso de desarrollo de materiales, modelar las guías de ondas, probándolos, medición de desempeño, e intentarlo de nuevo. También teníamos que asegurarnos de que los materiales de las guías de ondas funcionaran no solo con las longitudes de onda de luz necesarias, pero también que no interfirieron con los electrodos metálicos que atrapan el ion, "Dice Sage.

Escalable y portátil

El equipo ahora espera con ansias lo que pueden hacer con este chip totalmente integrado con luz. Para uno, "Haz mas, ", dice Niffenegger." Colocar estos chips en una matriz podría reunir muchos más iones, cada uno capaz de ser controlado con precisión, abriendo la puerta a computadoras cuánticas más poderosas ".

Daniel Slichter, un físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología que no participó en esta investigación, dice, "Esta tecnología fácilmente escalable permitirá sistemas complejos con muchos rayos láser para operaciones en paralelo, todo alineado automáticamente y resistente a vibraciones y condiciones ambientales, y, en mi opinión, será crucial para realizar procesadores cuánticos de iones atrapados con miles de qubits ".

Una ventaja de este chip integrado con láser es que es inherentemente resistente a las vibraciones. Con láseres externos, cualquier vibración en el láser haría que perdiera el ion, al igual que cualquier vibración en el chip. Ahora que los rayos láser y el chip están acoplados, los efectos de las vibraciones se anulan eficazmente.

Esta estabilidad es importante para que los iones mantengan la "coherencia, "o para operar como qubits el tiempo suficiente para computar con ellos. También es importante si los sensores de iones atrapados se van a convertir en portátiles. Relojes atómicos basados ​​en iones atrapados, por ejemplo, podría mantener el tiempo con mucha más precisión que el estándar actual, y podría usarse para mejorar la precisión del GPS, que se basa en la sincronización de relojes atómicos transportados por satélites.

"Consideramos este trabajo como un ejemplo de vinculación entre ciencia e ingeniería, que ofrece una verdadera ventaja tanto para el mundo académico como para la industria, ", Dice Sage. Cerrar esta brecha es el objetivo del MIT Center for Quantum Engineering, donde Sage es un investigador principal. "Necesitamos que la tecnología cuántica sea robusta, entregable, y amigable para el usuario, para que lo utilicen personas que no sean doctorados en física cuántica, "Dice Sage.

Simultaneamente, el equipo espera que este dispositivo pueda ayudar a impulsar la investigación académica. "Queremos que otros institutos de investigación utilicen esta plataforma para que puedan centrarse en otros desafíos, como programar y ejecutar algoritmos con iones atrapados en esta plataforma, por ejemplo. Vemos que abre la puerta a una mayor exploración de la física cuántica, "Dice Chiaverini.