Los investigadores han descubierto la forma más precisa de controlar iones individuales utilizando tecnología de ingeniería óptica holográfica.

La nueva tecnología utiliza el primer dispositivo de ingeniería óptica holográfica conocido para controlar qubits de iones atrapados. Esta tecnología promete ayudar a crear controles más precisos de qubits que ayudarán al desarrollo de hardware específico de la industria cuántica para promover nuevos experimentos de simulación cuántica y potencialmente procesos de corrección de errores cuánticos para qubits de iones atrapados.

"Nuestro algoritmo calcula el perfil del holograma y elimina cualquier aberración de la luz, lo que nos permite desarrollar una técnica de alta precisión para programar iones, "dice el autor principal, Chung-You Shih, un doctorado estudiante del Instituto de Computación Cuántica (IQC) de la Universidad de Waterloo.

Kazi Rajibul Islam, un miembro de la facultad en IQC y en física y astronomía en Waterloo es el investigador principal de este trabajo. Su equipo ha estado atrapando iones utilizados en simulación cuántica en el Laboratorio de Información Cuántica desde 2019, pero necesitaba una forma precisa de controlarlos.

Un láser dirigido a un ion puede "hablar" con él y cambiar el estado cuántico del ion, formando los bloques de construcción del procesamiento de información cuántica. Sin embargo, Los rayos láser tienen aberraciones y distorsiones que pueden resultar en un desorden, punto de enfoque amplio, lo cual es un problema porque la distancia entre los iones atrapados es de unos pocos micrómetros, mucho más estrecha que un cabello humano.

Los perfiles del rayo láser que el equipo quería para estimular los iones tendrían que diseñarse con precisión. Para lograrlo tomaron un láser, sopló su luz hasta 1 cm de ancho y luego la envió a través de un dispositivo digital de microespejos (DMD), que es programable y funciona como proyector de películas. El chip DMD tiene espejos de escala de dos millones de micrones que se controlan individualmente mediante voltaje eléctrico. Usando un algoritmo que desarrolló Shih, el chip DMD está programado para mostrar un patrón de holograma. La luz producida por el holograma DMD puede tener su intensidad y fase controladas exactamente.

En prueba, el equipo ha podido manipular cada ion con la luz holográfica. Investigaciones anteriores han tenido problemas con la conversación cruzada, lo que significa que si un láser se enfoca en un ion, la luz se filtra sobre los iones circundantes. Con este dispositivo, el equipo caracteriza con éxito las aberraciones utilizando un ion como sensor. Luego pueden cancelar las aberraciones ajustando el holograma y obtener la diafonía más baja del mundo.

"Existe un desafío en el uso de tecnología DMD disponible comercialmente, ", Dice Shih." Su controlador está hecho para proyectores y litografía UV, no experimentos cuánticos. Nuestro siguiente paso es desarrollar nuestro propio hardware para experimentos de computación cuántica ".

El estudio, Direccionamiento óptico holográfico reprogramable y de alta precisión de iones atrapados para un control cuántico escalable, detalla el trabajo de los investigadores publicado en la revista npj Información cuántica .