Atrapar iones con campos magnéticos y eléctricos estáticos en lugar de un campo electromagnético oscilante podría facilitar el uso de iones como bloques de construcción para computadoras cuánticas. El nuevo enfoque, que fue desarrollado por investigadores de ETH Zurich en Suiza, permite un mejor control del estado y la posición cuánticos de un ion y marca un paso importante hacia la ampliación de los iones atrapados como plataforma para la computación cuántica.
Las computadoras cuánticas pueden superar a las clásicas en ciertos problemas. Sin embargo, para aprovechar todo su potencial se necesitarán máquinas que puedan manipular alrededor de 1 millón de bits cuánticos (qubits). Esto es órdenes de magnitud más que los procesadores cuánticos más grandes de la actualidad, y su ampliación es un desafío porque los qubits se vuelven más difíciles de producir y controlar a medida que aumenta su número.
Por ejemplo, los iones utilizados como qubits en procesadores cuánticos de iones atrapados generalmente se mantienen en su lugar mediante campos electromagnéticos que oscilan en radiofrecuencias (RF), y sus estados cuánticos se controlan y leen con pulsos de luz láser. Esto funciona bien para hasta 30 qubits, pero escalar a números más altos es complicado. Combinar campos de RF en el pequeño espacio de un solo chip es un desafío, y los campos también calientan la trampa, alterando el comportamiento cuántico de los iones. Otro problema es que la estructura de los campos de RF restringe las ubicaciones de las trampas a una cuadrícula lineal.
Trampas de corral
El equipo de ETH abordó estos problemas cambiando a un tipo de trampa que se utiliza tradicionalmente para confinar iones para aplicaciones como espectroscopia de precisión y simulaciones cuánticas. Estas llamadas trampas Penning reemplazan los campos de RF con fuertes campos magnéticos estáticos, lo que elimina el calentamiento y elimina las restricciones en la configuración de la trampa. Sin embargo, los campos magnéticos fuertes plantean sus propios desafíos. Su presencia aumenta el espacio entre los estados energéticos de los iones, lo que hace más difícil controlar estos estados con luz procedente de láseres de diodo simples y baratos. Los imanes superconductores que los producen también son voluminosos y es necesario guiar la luz láser alrededor de ellos.
Para superar estos desafíos, los investigadores de ETH construyeron su trampa Penning colocando un chip microfabricado (producido por colegas de la Universidad Leibniz en Hannover, Alemania) con varios electrodos dentro de un imán superconductor de 3 Tesla. Un sistema de espejos guía rayos láser de fase bloqueada a través del imán hasta los iones, y todo el conjunto se coloca al vacío y se enfría criogénicamente.
¡Es una trampa!
La nueva trampa estuvo a la altura de las expectativas, confinó un solo ion durante varios días y dio a los investigadores de ETH control total sobre su movimiento y posición (ver imagen). Para probar la viabilidad del sistema para la computación cuántica, el equipo midió el tiempo de coherencia del ion (es decir, la cantidad de tiempo que permanece en un estado cuántico) y demostró que era más largo que el tiempo necesario para realizar una operación cuántica. También demostraron que los láseres podían controlar los estados energéticos del ion sin alterar su superposición cuántica. Esta capacidad permite crear estados entrelazados entre diferentes qubits y, por tanto, realizar cálculos cuánticos.
El nuevo qubit de cavidad superconductor supera los límites de la coherencia cuántica
pedro zoller, físico de la Universidad de Innsbruck, Austria, que no participó en este proyecto, describe la microtrampa Penning con fácil transporte de iones como una “idea refrescante e innovadora”. Agrega que es fantástico ver que las innovaciones utilizadas para conjuntos atrapados de átomos neutros se apliquen a arquitecturas de iones atrapados. Sin embargo, señala que hasta ahora las capacidades de la trampa sólo se han demostrado para un único ion. Según él, será interesante ver cómo escala y funciona (en forma de fidelidades de puerta) con muchos iones, y cómo se compara con enfoques alternativos como las trampas de superficie o las pistas de carreras cuánticas.
jonathan casa, el líder del equipo de ETH, está de acuerdo en que es importante agregar más iones. Los próximos pasos, dice mundo de la fisica, será "intentar cargar múltiples iones y realizar puertas de múltiples qubits entre iones en sitios de trampa separados".
La investigación se publica en Naturaleza.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/new-ion-trapping-approach-could-help-quantum-computers-scale-up/
