Los investigadores de ETH han demostrado una nueva técnica para realizar operaciones cuánticas sensibles en átomos. En esta técnica, la luz láser de control se entrega directamente dentro de un chip. Esto debería permitir construir computadoras cuánticas a gran escala basadas en átomos atrapados.

Golpear un punto específico en una pantalla con un puntero láser durante una presentación no es fácil; incluso el más mínimo temblor nervioso de la mano se convierte en un gran garabato a distancia. Ahora imagina tener que hacer eso con varios punteros láser a la vez. Ese es exactamente el problema al que se enfrentan los físicos que intentan construir computadoras cuánticas utilizando átomos atrapados individuales. Ellos, también, Necesitamos apuntar rayos láser, cientos o incluso miles de ellos en el mismo aparato, precisamente sobre varios metros de manera que impacten en regiones de solo unos pocos micrómetros de tamaño que contienen los átomos. Cualquier vibración no deseada perturbará gravemente el funcionamiento de la computadora cuántica.

En ETH en Zúrich, Jonathan Home y sus compañeros de trabajo en el Instituto de Electrónica Cuántica ahora han demostrado un nuevo método que les permite enviar múltiples rayos láser con precisión a las ubicaciones correctas desde dentro de un chip de una manera tan estable que incluso las operaciones cuánticas más delicadas en el se pueden realizar átomos.

Apuntando a la computadora cuántica

Construir computadoras cuánticas ha sido un objetivo ambicioso de los físicos durante más de treinta años. Los átomos cargados eléctricamente (iones) atrapados en campos eléctricos han resultado ser candidatos ideales para los bits cuánticos o qubits, que utilizan las computadoras cuánticas para sus cálculos. Hasta aquí, De esta forma se podrían realizar mini ordenadores que contengan alrededor de una docena de qubits. "Sin embargo, si desea construir computadoras cuánticas con varios miles de qubits, que probablemente será necesario para aplicaciones prácticamente relevantes, las implementaciones actuales presentan algunos obstáculos importantes, "dice Karan Mehta, un postdoctorado en el laboratorio de Home y primer autor del estudio publicado recientemente en la revista científica Naturaleza . Esencialmente, el problema es cómo enviar rayos láser a varios metros desde el láser a un aparato de vacío y finalmente dar en el blanco dentro de un criostato, en el que las trampas de iones se enfrían a solo unos pocos grados por encima del cero absoluto para minimizar las perturbaciones térmicas.

Configuración óptica como obstáculo

"Ya en los sistemas actuales a pequeña escala, la óptica convencional es una fuente importante de ruido y errores, y eso se vuelve mucho más difícil de gestionar cuando se intenta escalar ", Mehta explica. Cuantos más qubits se agreguen, cuanto más compleja se vuelve la óptica de los rayos láser que se necesita para controlar los qubits. "Aquí es donde entra nuestro enfoque", agrega Chi Zhang, un doctorado estudiante del grupo de Home:"Al integrar pequeñas guías de ondas en los chips que contienen los electrodos para atrapar los iones, podemos enviar la luz directamente a esos iones. De este modo, las vibraciones del criostato o de otras partes del aparato producen muchas menos perturbaciones ".

Los investigadores encargaron a una fundición comercial que produjera chips que contengan electrodos de oro para las trampas de iones y, en una capa más profunda, guías de ondas para luz láser. En un extremo de las fichas, las fibras ópticas alimentan la luz en las guías de ondas, que tienen solo 100 nanómetros de espesor, formando efectivamente cableado óptico dentro de los chips. Cada una de esas guías de ondas conduce a un punto específico en el chip, donde la luz finalmente se desvía hacia los iones atrapados en la superficie.

Trabajo de hace unos años (por algunos de los autores del presente estudio, junto con investigadores del MIT y del MIT Lincoln Laboratory) habían demostrado que este enfoque funciona en principio. Ahora, el grupo ETH ha desarrollado y refinado la técnica hasta el punto en que también es posible usarla para implementar puertas lógicas cuánticas de bajo error entre diferentes átomos, un requisito previo importante para la construcción de computadoras cuánticas.

Puertas lógicas de alta fidelidad

En un chip de computadora convencional, Las puertas lógicas se utilizan para realizar operaciones lógicas como AND o NOR. Para construir una computadora cuántica, uno debe asegurarse de que pueda realizar tales operaciones lógicas en los qubits. El problema con esto es que las puertas lógicas que actúan sobre dos o más qubits son particularmente sensibles a las perturbaciones. Esto se debe a que crean estados frágiles de la mecánica cuántica en los que dos iones están simultáneamente en superposición, también conocido como estados entrelazados.

En tal superposición, una medición de un ion influye en el resultado de una medición en el otro ion, sin que los dos estén en contacto directo. Qué tan bien funciona la producción de esos estados de superposición, y por lo tanto, qué buenas son las puertas lógicas, se expresa por la llamada fidelidad. “Con el nuevo chip pudimos realizar puertas lógicas de dos qubits y usarlas para producir estados entrelazados con una fidelidad que hasta ahora solo se podía lograr en los mejores experimentos convencionales, "dice Maciej Malinowski, quien también participó en el experimento como Ph.D. estudiante.

Por lo tanto, los investigadores han demostrado que su enfoque es interesante para las futuras computadoras cuánticas con trampa de iones, ya que no solo es extremadamente estable, pero también escalable. Actualmente están trabajando con diferentes chips que están destinados a controlar hasta diez qubits a la vez. Es más, están buscando nuevos diseños para operaciones cuánticas rápidas y precisas que son posibles gracias al cableado óptico.