Salto tecnológico clave en computación cuántica con iones
COMPUTACIÓN.
Las computadoras cuánticas podrían resolver en horas problemas complejos que a las supercomputadoras clásicas más poderosas les llevaría décadas desentrañar.
Pero para ello habrá que construirlas en tamaños lo bastante grandes y dotarlas de suficiente estabilidad; solo así podrán realizar tales operaciones de manera eficiente. Uno de los tipos de ordenador cuántico en los que la comunidad científica trabaja para intentar conseguir ese gran tamaño y esa estabilidad es el de iones atrapados. Sin embargo, el diseño tradicional de estos se basa en equipamiento óptico voluminoso. Un diseño más nuevo, basado en chips fotónicos ultracompactos, resulta más prometedor. Pero el caso es que los iones de estas computadoras cuánticas deben enfriarse a temperaturas extremadamente bajas para minimizar las vibraciones y evitar errores. Y eso no es fácil. Hasta ahora, estos sistemas de iones atrapados basados en chips fotónicos solo han contado con métodos de enfriamiento lentos e ineficientes.
El nuevo chip fotónico incorpora antenas diseñadas con precisión para manipular haces de luz entrecruzados y muy enfocados, lo que puede enfriar rápidamente un sistema de computación cuántica para posibilitar una mayor eficiencia y estabilidad. Imagen: Michael Hurley / Sampson Wilcox. CC BY-NC-ND 3.0.
En la computación cuántica de iones atrapados, se obtiene un ion al sacar un electrón de un átomo y luego ese átomo con carga positiva (ion positivo) es atrapado mediante haces de radiofrecuencia y se le manipula mediante emisiones ópticas.
Se utilizan láseres para codificar información en el ion atrapado cambiando su estado. De esta manera, el ion puede utilizarse como un bit cuántico. Los bits cuánticos son los componentes básicos de una computadora cuántica.
Para evitar colisiones entre iones y moléculas de gas en el aire, los iones se mantienen al vacío y a muy bajas temperaturas, con la ayuda de rayos láser.
Aunque puede parecer contradictoria la idea de enfriar mediante rayos láser, hay que tener en cuenta que el calor es movimiento y que un uso muy preciso de chorros de fotones puede mitigar las vibraciones de un ión.
En los diseños tradicionales, se instalan fuera de la cámara de iones unos láseres voluminosos que emiten sus haces de luz a través de las ventanas de la cámara hacia el chip. Estos sistemas requieren una sala repleta de componentes ópticos para manejar tan solo unas pocas decenas de iones, lo que dificulta ampliar su escala para que trabajen con la gran cantidad de iones necesaria para la computación cuántica avanzada. Ligeras vibraciones fuera de la cámara también pueden perturbar los haces de luz, reduciendo la precisión de la computadora cuántica.
Para superar estos desafíos, unos investigadores han ideado un método mucho más rápido y energéticamente eficiente, mediante chips fotónicos, para enfriar los iones atrapados. En este caso, la luz se emite desde el mismo chip que tiene atrapado al ion. Al eliminarse la necesidad de componentes ópticos externos, resulta plausible fabricar ordenadores cuánticos lo bastante grandes
El logro es obra de un equipo de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) así como del Laboratorio Lincoln (el cual está gestionado también desde el MIT), en Estados Unidos.
Para impedir que el ion conserve demasiada energía vibratoria después de que el proceso de enfriamiento se complete y dicho exceso imposibilite usar esos bits cuánticos en cálculos de alta precisión, el equipo de investigación y desarrollo recurrió a un enfoque más complejo, el cual implica la interacción precisa de dos haces de luz.
Cada haz de luz tiene una polarización diferente, lo que significa que el campo en cada haz oscila en una dirección distinta (arriba y abajo, de lado a lado, etcétera). Donde estos haces se intersecan, forman un vórtice de luz giratorio que puede forzar al ion a detener su vibración de forma aún más eficiente.
Aunque esta estrategia ya se había demostrado utilizando óptica voluminosa, no se había demostrado antes utilizando fotónica integrada.
Con el diseño final, los investigadores consiguieron un enfriamiento de iones casi 10 veces inferior al límite del enfriamiento láser estándar, conocido como límite Doppler. Su chip logró alcanzar este límite en unos 100 microsegundos, varias veces más rápido que lo logrado con otras técnicas.
Este importante avance tecnológico se ha conseguido con dos estudios. Uno de ellos, titulado “Integrated-photonics-based systems for polarization-gradient cooling of trapped ions”, se ha publicado en la revista académica Light: Science & Applications y su primera firmante es Sabrina M. Corsetti, del MIT. El otro se titula “Sub-Doppler Cooling of a Trapped Ion in a Phase-Stable Polarization Gradient”, ha sido publicado en la revista académica Physical Review Letters y su primer firmante es Ethan Clements, del Laboratorio Lincoln.
Por: Redacción.
Sitio Fuente: NCYT de Amazings