Una nueva técnica de enfriamiento que utiliza una sola especie de ion atrapado tanto para computación como para enfriamiento podría simplificar el uso de dispositivos cuánticos de carga acoplada (QCCD), lo que podría acercar la computación cuántica a aplicaciones prácticas.
Utilizando una técnica llamada enfriamiento rápido por intercambio iónico, los científicos del Georgia Tech Research Institute (GTRI) han demostrado que pueden enfriar un ion de calcio, que gana energía vibratoria mientras realiza cálculos cuánticos, moviendo un ion frío de la misma especie a una distancia cercana. . Después de transferir energía del ion caliente al frío, el ion refrigerante regresa a un depósito cercano para enfriarlo para su uso posterior.
La investigación aparece en la revista Nature Communications. .
El enfriamiento de iones convencional para QCCD implica el uso de dos especies de iones diferentes, con iones de enfriamiento acoplados a láseres de una longitud de onda diferente que no afectan a los iones utilizados para la computación cuántica. Más allá de los láseres necesarios para controlar las operaciones de la computación cuántica, esta técnica de enfriamiento simpático requiere láseres adicionales para atrapar y controlar los iones refrigerantes, y eso aumenta la complejidad y ralentiza las operaciones de la computación cuántica.
"Hemos demostrado un nuevo método para enfriar iones de forma más rápida y sencilla en esta prometedora arquitectura QCCD", dijo Spencer Fallek, científico investigador del GTRI. "El enfriamiento por intercambio rápido puede ser más rápido porque el transporte de los iones de enfriamiento requiere menos tiempo que el enfriamiento por láser de dos especies diferentes. Y es más simple porque usar dos especies diferentes requiere operar y controlar más láseres".
El movimiento de los iones tiene lugar en una trampa mantenida controlando con precisión voltajes que crean un potencial eléctrico entre los contactos de oro. Pero mover un átomo frío de una parte de la trampa es un poco como mover un cuenco con una canica en el fondo.
Cuando el cuenco deja de moverse, la canica debe quedar estacionaria, sin rodar dentro del cuenco, explicó Kenton Brown, científico investigador principal del GTRI que ha trabajado en cuestiones de computación cuántica durante más de 15 años.
"Eso es básicamente lo que siempre intentamos hacer con estos iones cuando movemos el potencial de confinamiento, que es como el recipiente, de un lugar a otro en la trampa", dijo. "Cuando terminemos de mover el potencial de confinamiento a la ubicación final en la trampa, no queremos que el ion se mueva dentro del potencial".
Una vez que el ion caliente y el ion frío están cerca uno del otro, se produce un simple intercambio de energía y el ion frío original (ahora calentado por su interacción con un ion informático) puede separarse y devolverse a un depósito cercano de iones enfriados. /P>
Los investigadores del GTRI han demostrado hasta ahora un sistema de prueba de concepto de dos iones, pero dicen que su técnica es aplicable al uso de múltiples iones de computación y refrigeración, y otras especies de iones.
Un único intercambio de energía eliminó más del 96% del calor (medido como 102(5) cuantos) del ion informático, lo que fue una agradable sorpresa para Brown, que esperaba que pudieran ser necesarias múltiples interacciones. Los investigadores probaron el intercambio de energía variando la temperatura inicial de los iones computacionales y descubrieron que la técnica es efectiva independientemente de la temperatura inicial. También han demostrado que la operación de intercambio de energía se puede realizar varias veces.
El calor (esencialmente energía vibratoria) se filtra en el sistema de iones atrapados a través de la actividad computacional y del calentamiento anómalo, como el inevitable ruido de radiofrecuencia en la propia trampa de iones. Debido a que el ion informático absorbe calor de estas fuentes incluso mientras se enfría, eliminar más del 96% de la energía requerirá más mejoras, afirmó Brown.
Los investigadores imaginan que en un sistema operativo, los átomos enfriados estarían disponibles en un depósito al lado de las operaciones de QCCD y se mantendrían a una temperatura constante. Los iones informáticos no pueden enfriarse directamente con láser porque hacerlo borraría los datos cuánticos que contienen.
El calor excesivo en un sistema QCCD afecta negativamente a la fidelidad de las puertas cuánticas, introduciendo errores en el sistema. Los investigadores del GTRI aún no han construido un QCCD que utilice su técnica de enfriamiento, aunque ese es un paso futuro en la investigación. Otro trabajo por delante incluye acelerar el proceso de enfriamiento y estudiar su efectividad en el movimiento de enfriamiento a lo largo de otras direcciones espaciales.
El componente experimental del experimento de enfriamiento por intercambio rápido se guió por simulaciones realizadas para predecir, entre otros factores, las rutas que seguirían los iones en su viaje dentro de la trampa de iones. "Definitivamente entendimos lo que estábamos buscando y cómo debíamos lograrlo basándonos en la teoría y las simulaciones que teníamos", dijo Brown.
La trampa de iones única fue fabricada por colaboradores de los Laboratorios Nacionales Sandia. Los investigadores del GTRI utilizaron tarjetas de generación de voltaje controladas por computadora capaces de producir formas de onda específicas en la trampa, que tiene un total de 154 electrodos, de los cuales el experimento utilizó 48. Los experimentos se llevaron a cabo en un criostato mantenido a unos 4 grados Kelvin. P>
La División de Sistemas Cuánticos (QSD) del GTRI investiga sistemas de computación cuántica basados en iones atómicos atrapados individuales y novedosos dispositivos de sensores cuánticos basados en sistemas atómicos. Los investigadores del GTRI han diseñado, fabricado y demostrado una serie de trampas de iones y componentes de última generación para respaldar sistemas de información cuánticos integrados. Entre las tecnologías desarrolladas se encuentra la capacidad de transportar iones con precisión a donde se necesitan.
"Tenemos un control muy preciso de cómo se mueven los iones, la velocidad a la que se pueden juntar, el potencial que tienen cuando están cerca unos de otros y el momento necesario para realizar experimentos como este", dijo Fallek.
Otros investigadores del GTRI involucrados en el proyecto fueron Craig Clark, Holly Tinkey, John Gray, Ryan McGill y Vikram Sandhu. La investigación se realizó en colaboración con el Laboratorio Nacional de Los Álamos.
Más información: Spencer D. Fallek et al, Enfriamiento de intercambio rápido con iones atrapados, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45232-z
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Georgia 
