Fig. 1. Diagrama conceptual de la puerta de dos qubits más rápida del mundo. Dos átomos capturados en pinzas ópticas (luz roja) con una separación de un micrómetro son manipulados por un pulso láser ultrarrápido (luz azul) que brilla durante solo 10 picosegundos. Crédito:Dr. Takafumi Tomita (IMS)
Un grupo de investigación dirigido por la estudiante de posgrado Yeelai Chew, el profesor asistente Sylvain de Léséleuc y el profesor Kenji Ohmori del Instituto de Ciencias Moleculares de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales, utiliza átomos enfriados hasta casi el cero absoluto y atrapados en pinzas ópticas separados por una micra o entonces (ver Fig. 1). Al manipular los átomos con una luz láser especial durante 10 picosegundos, lograron ejecutar la puerta de dos qubits más rápida del mundo, una operación fundamental esencial para la computación cuántica, que opera en solo 6,5 nanosegundos.
Se espera que esta computadora cuántica ultrarrápida, que utiliza láseres ultrarrápidos para manipular átomos fríos atrapados con pinzas ópticas, sea una computadora cuántica completamente nueva que supere las limitaciones de los tipos de iones atrapados y superconductores actualmente en desarrollo.
Los resultados se publican en la edición online de Nature Photonics el 8 de agosto de 2022.
Ordenadores cuánticos basados en átomos fríos
Las computadoras cuánticas de átomos fríos se basan en técnicas de atrapamiento y enfriamiento por láser celebradas por los Premios Nobel de 1997 (S. Chu, C. Cohen-Tannoudji y W.D. Philipps, "Enfriamiento y atrapamiento de átomos con luz láser") y 2018 (A. Ashkin , invención de las pinzas ópticas). Estas técnicas facilitan la disposición de conjuntos de átomos fríos en formas arbitrarias con pinzas ópticas y permiten observar cada uno individualmente.
Debido a que los átomos son sistemas cuánticos naturales, pueden almacenar fácilmente bits cuánticos de información, el bloque de construcción básico ("qubit") de una computadora cuántica (ver Fig. 2). Además, estos átomos están muy bien aislados del entorno que los rodea y son independientes entre sí. El tiempo de coherencia (el tiempo durante el cual persiste la superposición cuántica) de un qubit puede alcanzar varios segundos. Luego, se realiza una puerta de dos qubits (un elemento aritmético básico esencial para la computación cuántica) al excitar un electrón del átomo en un orbital electrónico gigante, llamado orbital de Rydberg.
Fig. 2. Esquema de un bit cuántico utilizando átomos de rubidio. Crédito:Dr. Takafumi Tomita (IMS)
Con estas técnicas, la plataforma de átomos fríos se ha convertido en uno de los candidatos más prometedores para el hardware de computadoras cuánticas, atrayendo la atención de la industria, la academia y los gobiernos de todo el mundo. En particular, tiene un potencial revolucionario en el sentido de que puede ampliarse fácilmente manteniendo una alta coherencia en comparación con los tipos superconductores y de iones atrapados que se están desarrollando actualmente.
Puertas cuánticas
Las puertas cuánticas son los elementos aritméticos básicos que componen la computación cuántica. Corresponden a las puertas lógicas como AND y OR en las computadoras clásicas convencionales. Hay puertas de un qubit que manipulan el estado de un solo qubit y puertas de dos qubits que generan un entrelazamiento cuántico entre dos qubits. La puerta de dos qubits es la fuente del rendimiento de alta velocidad en las computadoras cuánticas y es técnicamente desafiante. La puerta de dos qubits más importante se denomina "puerta Z controlada (puerta CZ)", que es una operación que invierte la superposición cuántica de un primer qubit de 0 + 1 a 0—1 dependiendo del estado (0 o 1 ) de un segundo qubit (ver Fig. 3).
Fig. 3. Funcionamiento de la puerta cuántica. (Superior) Cuando el átomo 1 está en el estado "0", no pasa nada. Cuando el átomo 1 está en el estado “1”, el signo de la superposición del átomo 2 cambia de positivo a negativo. Esta operación está en el corazón del algoritmo cuántico que se ejecuta en computadoras cuánticas. Crédito:Dr. Takafumi Tomita (IMS)
La precisión (fidelidad) de la puerta cuántica se degrada fácilmente por el ruido del entorno externo y el láser operativo, lo que dificulta el desarrollo de computadoras cuánticas. Dado que la escala de tiempo del ruido es generalmente más lenta que un microsegundo, si se puede realizar una puerta cuántica que sea lo suficientemente rápida, será posible evitar la degradación de la precisión del cálculo debido al ruido y acercarnos mucho más a la realización de una práctica. computadora cuántica. Por lo tanto, durante los últimos 20 años, toda la investigación de hardware de computadoras cuánticas ha estado buscando puertas más rápidas. La puerta ultrarrápida de 6,5 nanosegundos lograda por esta investigación con el hardware de átomos fríos es más de dos órdenes de magnitud más rápida que el ruido y, por lo tanto, puede ignorar sus efectos. El récord mundial anterior fue de 15 nanosegundos, logrado por Google AI en 2020 con circuitos superconductores.
Método experimental
El experimento se realizó utilizando átomos de rubidio. En primer lugar, dos átomos de rubidio en la fase gaseosa que se habían enfriado a una temperatura ultrabaja de aproximadamente 1/100.000 Kelvin utilizando rayos láser se colocaron en un intervalo de micras con pinzas ópticas. Luego, los investigadores los irradiaron con pulsos de láser ultracortos que emitieron luz durante solo 1/100 billonésima de segundo y observaron los cambios que ocurrieron. Dos electrones atrapados respectivamente en los orbitales más pequeños (5S) de dos átomos adyacentes (átomo 1 y átomo 2) fueron golpeados en orbitales electrónicos gigantes (orbitales de Rydberg, aquí 43D). La interacción entre estos átomos gigantes condujo a un intercambio periódico de ida y vuelta de la forma orbital y la energía de los electrones que se produce con un período de 6,5 nanosegundos.
Después de una oscilación, las leyes de la física cuántica dictan que el signo de la función de onda se invierte, lo que genera la puerta de dos qubits (puerta Z controlada). Usando este fenómeno, realizaron una operación de puerta cuántica usando un qubit (Fig. 2) en el que el estado electrónico 5P es el estado "0" y el estado electrónico 43D es el estado "1". Los átomos 1 y 2 se prepararon como qubits 1 y 2, respectivamente, y el intercambio de energía se indujo mediante un pulso láser ultracorto. Durante un ciclo de intercambio de energía, el signo del estado de superposición del qubit 2 se invirtió solo cuando el qubit 1 estaba en el estado "1" (Fig. 3). Este cambio de señal fue observado experimentalmente por el grupo de investigación, demostrando así que una puerta de dos qubits puede operarse en 6,5 nanosegundos, la velocidad más rápida del mundo.
Se espera que la realización de la puerta ultrarrápida más rápida del mundo, lograda esta vez mediante un método completamente nuevo de "manipulación de átomos espaciados en dos micras enfriados hasta casi el cero absoluto usando un láser ultrarrápido", acelere en gran medida la atención mundial hacia el hardware de átomos fríos. Dos equipos usan átomos neutros para crear circuitos cuánticos
