Las computadoras cuánticas son en gran medida dispositivos hipotéticos que podrían realizar algunos cálculos mucho más rápidamente que las computadoras convencionales. En lugar de los bits de computación clásica, que pueden representar 0 o 1, las computadoras cuánticas consisten en bits cuánticos, o qubits, que pueden, encierto sentido, representan 0 y 1 simultáneamente.
Aunque los sistemas cuánticos con hasta 12 qubits se han demostrado en el laboratorio, la construcción de computadoras cuánticas lo suficientemente complejas para realizar cálculos útiles requerirá una tecnología de miniaturización de qubit, de la misma manera que la miniaturización de los transistores permitió computadoras modernas.
Los iones atrapados son probablemente la tecnología qubit más estudiada, pero históricamente han requerido un aparato de hardware grande y complejo. En la actualidad Nanotecnología de la naturaleza , los investigadores del MIT y el MIT Lincoln Laboratory informan un paso importante hacia las computadoras cuánticas prácticas, con un documento que describe un chip prototipo que puede atrapar iones en un campo eléctrico y, con una óptica incorporada, dirigir la luz láser hacia cada uno de ellos.
"Si nos fijamos en el ensamblaje tradicional, es un barril que tiene un vacío en su interior, y dentro de él está esta jaula que atrapa los iones. Luego, básicamente, hay todo un laboratorio de óptica externa que guía los rayos láser hacia el ensamblajede iones ", dice Rajeev Ram, profesor de ingeniería eléctrica del MIT y uno de los principales autores del artículo." Nuestra visión es llevar ese laboratorio externo y miniaturizar gran parte de él en un chip ".
enjaulado
El grupo de Información Cuántica y Nanosistemas Integrados en el Laboratorio Lincoln fue uno de varios grupos de investigación que ya trabajaban para desarrollar trampas de iones más pequeñas y simples conocidas como trampas de superficie. Una trampa de iones estándar se parece a una pequeña jaula, cuyas barras son electrodos que producen un sistema eléctricocampo. Los iones se alinean en el centro de la jaula, paralelos a las barras. Una trampa de superficie, por el contrario, es un chip con electrodos incrustados en su superficie. Los iones flotan 50 micrómetros sobre los electrodos.
Las trampas de jaula tienen un tamaño intrínsecamente limitado, pero las trampas de superficie podrían, en principio, extenderse indefinidamente. Con la tecnología actual, aún tendrían que mantenerse en una cámara de vacío, pero permitirían que muchos más qubits se apiñaran en su 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 a los atrapados de Lincoln Laboratoryproyecto de procesamiento de información cuántica de iones: "Estas trampas de jaula funcionan muy bien, pero en realidad solo funcionan para unos 10 a 20 iones, y básicamente funcionan al máximo".
Sin embargo, realizar un cálculo cuántico 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 a solo 5 micrómetros de distancia. Golpear un solo ion conun 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.
subir 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., Chiaverini y sus colegas de Lincoln Lab, Colin Bruzewicz y Robert McConnell reorganizaron 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.
"Normalmente, para las trampas de electrodos de superficie, el rayo láser proviene de una mesa óptica y entra en este sistema, por lo que siempre existe la preocupación de que el rayo vibre o se mueva", dice Ram. "Con la integración fotónica, no le preocupasobre la estabilidad del puntero 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. En la parte superior del cuarzo hay una red de "guías de ondas" de nitruro de silicio, que dirigen la luz láser a través del chip. Sobre las guías de ondas hay una capa de vidrio, y encima deesos son los electrodos de niobio. Debajo de los agujeros en los electrodos, las guías de onda se rompen en una serie de crestas secuenciales, una "rejilla de difracción" diseñada con precisión para dirigir la luz a través de los agujeros y concentrarla en un haz lo suficientemente estrecho como para que apunte a union único, 50 micrómetros sobre la superficie del chip.
Perspectivas
Con el prototipo de chip, 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 luzmoduladores de 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, lo cual es vital en un sistema de información cuántico práctico, ya que la cantidad de operaciones cuánticas que el sistema puederealizar está limitado por el "tiempo de coherencia" de los qubits.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Larry Hardesty. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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