Los átomos, los fotones y otras partículas cuánticas a menudo son caprichosos y delicados por naturaleza; muy raramente en un punto muerto, a menudo chocan con otros de su tipo. Pero si tales partículas pueden acorralarse y controlarse individualmente en grandes cantidades, pueden seraprovechado como bits cuánticos o qubits: pequeñas unidades de información cuyo estado u orientación se pueden usar para realizar cálculos a tasas significativamente más rápidas que los chips de computadora basados en semiconductores de la actualidad.
En los últimos años, los científicos han encontrado formas de aislar y manipular partículas cuánticas individuales. Pero tales técnicas han sido difíciles de escalar, y la falta de una forma confiable de manipular grandes cantidades de átomos sigue siendo un obstáculo significativo hacia la computación cuántica.
Ahora, los científicos de Harvard y el MIT han encontrado una forma de evitar este desafío. En un artículo publicado hoy en la revista ciencia , los investigadores informan sobre un nuevo método que les permite usar láseres como "pinzas" ópticas para extraer átomos individuales de una nube y mantenerlos en su lugar. A medida que los átomos están "atrapados", los científicos usan una cámara para crearimágenes de los átomos y sus ubicaciones. A partir de estas imágenes, manipulan el ángulo de los rayos láser para mover átomos individuales en cualquier cantidad de configuraciones diferentes.
El equipo hasta ahora ha creado conjuntos de 50 átomos y los ha manipulado en varios patrones libres de defectos, con control de un solo átomo. Vladan Vuletic, uno de los autores del artículo y profesor de física de Lester Wolfe en el MIT, compara el proceso con"construyendo un pequeño cristal de átomos, de abajo hacia arriba".
"Hemos demostrado una matriz reconfigurable de trampas para átomos individuales, donde podemos preparar hasta 50 átomos individuales en trampas separadas de manera determinista, para uso futuro en el procesamiento de información cuántica, simulaciones cuánticas o mediciones de precisión", dice Vuletic, quien estambién es miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT: "Es como Legos de átomos que construyes y puedes decidir dónde quieres que esté cada bloque".
Los otros autores principales del artículo son el autor principal Manuel Endres y Markus Greiner y Mikhail Lukin de la Universidad de Harvard.
Mantenerse neutral
El equipo diseñó su técnica para manipular átomos neutros, que no llevan carga eléctrica. La mayoría de los otros experimentos cuánticos han involucrado átomos cargados o iones, ya que su carga los hace más fácilmente atrapables. Los científicos también han demostrado que los iones, bajo ciertas condiciones,puede realizarse para realizar puertas cuánticas: operaciones lógicas entre dos bits cuánticos, similares a las puertas lógicas en los circuitos clásicos. Sin embargo, debido a su naturaleza cargada, los iones se repelen entre sí y son difíciles de ensamblar en matrices densas.
Los átomos neutros, por otro lado, no tienen problemas para estar cerca. El principal obstáculo para usar átomos neutros como qubits ha sido que, a diferencia de los iones, experimentan fuerzas muy débiles y no se mantienen fácilmente en su lugar.
"El truco es atraparlos y, en particular, atrapar a muchos de ellos", dice Vuletic. "La gente ha podido atrapar muchos átomos neutros, pero no de una manera en la que se pueda formar una estructura regular con ellos.Y para la computación cuántica, debe poder mover átomos específicos a ubicaciones específicas, con control individual ".
Configuración de la trampa
Para atrapar átomos neutros individuales, los investigadores utilizaron primero un láser para enfriar una nube de átomos de rubidio a temperaturas ultrafría, casi cero absoluto, disminuyendo la velocidad de los átomos de sus trayectorias habituales de alta velocidad. Luego dirigieron un segundo láserhaz a través de un instrumento que divide el rayo láser en muchos haces más pequeños, cuyo número y ángulo dependen de la frecuencia de radio aplicada al deflector.
Los investigadores enfocaron los rayos láser más pequeños a través de la nube de átomos ultrafríos y descubrieron que el foco de cada haz, el punto en el que la intensidad del haz era más alta, atraía un solo átomo, esencialmente lo sacaba de la nube y lo sosteníasitio.
"Es similar a cargar un peine frotándolo contra algo de lana, y usándolo para recoger pequeños pedazos de papel", dice Vuletic. "Es un proceso similar con átomos, que se sienten atraídos por regiones de alta intensidad delcampo de luz "
Mientras los átomos están atrapados, emiten luz, que los científicos capturaron usando una cámara con dispositivo de carga acoplada. Al observar sus imágenes, los investigadores pudieron discernir qué rayos láser, o pinzas, contenían átomos y cuálesno. Luego podrían cambiar la frecuencia de radio de cada haz para "apagar" las pinzas sin átomos, y reorganizar las que tienen átomos, para crear matrices libres de defectos. El equipo finalmente creó matrices de 50 átomos que se mantuvieron en su lugarpor hasta varios segundos
"La pregunta es siempre, ¿cuántas operaciones cuánticas puedes realizar en este momento?", Dice Vuletic. "La escala de tiempo típica para los átomos neutros es de aproximadamente 10 microsegundos, por lo que podrías hacer aproximadamente 100,000 operaciones en un segundo. Pensamos por ahoraesta vida está bien "
Ahora, el equipo está investigando si pueden alentar a los átomos neutros a realizar puertas cuánticas, el procesamiento más básico de información entre dos qubits. Mientras que otros han demostrado esto entre dos átomos neutros, no han podido retener puertas cuánticas ensistemas que involucran grandes cantidades de átomos. Si Vuletic y sus colegas pueden inducir con éxito puertas cuánticas en sus sistemas de 50 átomos o más, habrán dado un paso significativo hacia la realización de la computación cuántica.
"A la gente también le gustaría hacer otros experimentos además de la computación cuántica, como simular la física de la materia condensada, con un número predeterminado de átomos, y ahora con esta técnica debería ser posible", dice Vuletic. "Es muy emocionante".
Esta investigación fue apoyada en parte por la National Science Foundation y la National Security Science and Engineering Faculty Fellowship.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu, MIT News Office. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Cite esta página :