Las computadoras cuánticas son en gran parte dispositivos hipotéticos que podrían realizar algunos cálculos mucho más rápido que las computadoras convencionales. En lugar de los bits de la computación clásica, que puede representar 0 o 1, las computadoras cuánticas consisten en bits cuánticos, o qubits, que puede, en algún sentido, representan 0 y 1 simultáneamente.

Aunque se han demostrado en el laboratorio sistemas cuánticos con hasta 12 qubits, La construcción de computadoras cuánticas lo suficientemente complejas para realizar cálculos útiles requerirá miniaturizar la tecnología qubit, de la misma manera que la miniaturización de los transistores permitió a las computadoras modernas.

Los iones atrapados son probablemente la tecnología qubit más estudiada, pero históricamente han requerido un aparato de hardware grande y complejo. En el de hoy Nanotecnología de la naturaleza , investigadores del MIT y del MIT Lincoln Laboratory informan de un paso importante hacia las computadoras cuánticas prácticas, con un artículo que describe un chip prototipo que puede atrapar iones en un campo eléctrico y, con óptica incorporada, Dirija la luz láser hacia cada uno de ellos.

"Si nos fijamos en el montaje tradicional, es un barril que tiene un vacío en su interior, y dentro de eso está esta jaula que atrapa los iones. Luego, básicamente hay un laboratorio completo de óptica externa que está guiando los rayos láser hacia el ensamblaje de iones, "dice Rajeev Ram, profesor de ingeniería eléctrica del MIT y uno de los autores principales del artículo. "Nuestra visión es tomar ese laboratorio externo y miniaturizar gran parte de él en un chip".

Enjaulado en

El grupo de Nanosistemas Integrados e Información Cuántica del Laboratorio Lincoln era uno de los varios grupos de investigación que ya estaban trabajando para desarrollar sistemas más simples, trampas de iones más pequeñas conocidas como trampas de superficie. Una trampa de iones estándar parece una pequeña jaula, cuyas barras son electrodos que producen un campo eléctrico. Los iones se alinean en el centro de la jaula, paralelo a las barras. Una trampa de superficie por el contrario, es un chip con electrodos incrustados en su superficie. Los iones flotan 50 micrómetros por encima de los electrodos.

Las trampas de jaula tienen un tamaño intrínsecamente limitado, pero las trampas de superficie podrían, en principio, ser prorrogado indefinidamente. Con la tecnología actual, todavía tendrían que mantenerse en una cámara de vacío, pero permitirían que se amontonaran muchos más qubits en el interior.

"Creemos que las trampas de superficie son una tecnología clave para permitir que estos sistemas escalen a la gran cantidad de iones que se requerirán para la computación cuántica a gran escala". "dice Jeremy Sage, quien junto con John Chiaverini lidera el proyecto de procesamiento de información cuántica de iones atrapados del Laboratorio Lincoln. "Estas trampas de jaula funcionan muy bien, pero en realidad solo funcionan para unos 10 a 20 iones, y básicamente llegan al máximo ".

Realizando un cálculo cuántico, sin embargo, requiere controlar con precisión el estado de energía de cada qubit de forma independiente, y los qubits de iones atrapados se controlan con rayos láser. En una trampa de superficie los iones están separados sólo por unos 5 micrómetros. Golpear un solo ion con un láser externo, sin afectar a sus vecinos, es increíblemente difícil; solo unos pocos grupos lo habían intentado anteriormente, y sus técnicas no eran prácticas para sistemas a gran escala.

Subiendo a bordo

Ahí es donde entra el grupo de Ram. Ram y Karan Mehta, un estudiante graduado del MIT en ingeniería eléctrica y primer autor del nuevo artículo, diseñó y construyó un conjunto de componentes ópticos en chip que pueden canalizar la luz láser hacia iones individuales. Sabio, Chiaverini, y sus colegas de Lincoln Lab, Colin Bruzewicz y Robert McConnell, renovaron su trampa de superficie para acomodar la óptica integrada sin comprometer su rendimiento. Juntos, ambos grupos diseñaron y ejecutaron los experimentos para probar el nuevo sistema.

"Típicamente, para trampas de electrodos de superficie, el rayo láser proviene de una mesa óptica y entra en este sistema, por lo que siempre existe esta preocupación por la vibración o el movimiento del rayo, ", Dice Ram." Con la integración fotónica, no le preocupa la estabilidad del apuntamiento del haz, porque todo está en el mismo chip en el que están los electrodos. Así que ahora todo está registrado entre sí, y es estable ".

El nuevo chip de los investigadores está construido sobre un sustrato de cuarzo. Encima del cuarzo hay una red de guías de ondas de nitruro de silicio, "que dirigen la luz láser a través del chip. Por encima de las guías de onda hay una capa de vidrio, y encima de eso están los electrodos de niobio. Debajo de los agujeros en los electrodos, las guías de ondas se rompen en una serie de crestas secuenciales, una "rejilla de difracción" diseñada con precisión para dirigir la luz a través de los orificios y concentrarla en un haz lo suficientemente estrecho como para apuntar a un solo ion, 50 micrómetros por encima de la superficie del chip.

Prospectos

Con el chip prototipo, los investigadores estaban evaluando el rendimiento de las rejillas de difracción y las trampas de iones, pero no había ningún mecanismo para variar la cantidad de luz entregada a cada ion. En el trabajo en curso, los investigadores están investigando la adición de moduladores de luz a las rejillas de difracción, para que diferentes qubits puedan recibir simultáneamente luz de diferentes, intensidades variables en el tiempo. Eso haría que la programación de los qubits sea más eficiente, que es vital en un sistema práctico de información cuántica, dado que el número de operaciones cuánticas que puede realizar el sistema está limitado por el "tiempo de coherencia" de los qubits.