Computadores quânticos de grande escala, que são uma busca ativa de muitos laboratórios universitários e gigantes da tecnologia, permanecem anos de distância. Mas isso não impediu alguns cientistas de pensar no futuro, a um momento em que os computadores quânticos podem ser ligados entre si em uma rede ou um único computador quântico pode ser dividido em muitos nós interconectados.

Um grupo de físicos da Universidade de Maryland, trabalhando com JQI Fellow Christopher Monroe, estão perseguindo o segundo objetivo, tentando conectar módulos isolados de íons atômicos aprisionados com luz. Eles imaginam muitos módulos, cada um com cerca de cem íons, ligados entre si para formar um computador quântico que é inerentemente escalonável:se você quiser um computador maior, simplesmente adicione mais módulos à mistura.

Em um artigo publicado recentemente em Cartas de revisão física , Monroe e seus colaboradores relataram ter reunido muitas das peças necessárias para criar tal módulo. Inclui duas espécies diferentes de íons:um íon itérbio para armazenar informações e um íon bário para gerar a luz que se comunica com outros nós.

Essa abordagem de duas espécies isola as tarefas de armazenamento e comunicação de um nó de rede. Com uma única espécie, manipular o íon de comunicação com um laser pode corromper facilmente o íon de armazenamento. Em vários experimentos, os pesquisadores demonstraram que podiam isolar com sucesso os dois íons um do outro, transferir informações entre eles e capturar a luz gerada por ambos os íons.

A luz do íon de comunicação de bário poderia eventualmente ser encaminhada através de cabos de fibra óptica para um sensor reconfigurável, onde encontraria a luz de outros nós. Para demonstrar que o módulo pode produzir esta luz de comunicação, a equipe excitou cuidadosamente o íon de bário com um laser - deixando o íon de itérbio intocado - e capturou a luz emitida conforme ela se decompunha. Ao observar esta luz emitida e o íon, a equipe determinou que os dois estavam enredados, um requisito se a luz deve transportar mensagens em uma rede quântica.

A equipe também transferiu informações entre os dois íons, usando seu impulso elétrico mútuo e o movimento resultante para misturar as características quânticas internas dos íons. Usando lasers para estimular movimentos específicos, a equipe mostrou como trocar informações de um íon para o outro e até mesmo emaranhar os dois íons. Emaranhar o íon de armazenamento com o íon de comunicação e o íon de comunicação com a luz que sai são os principais ingredientes necessários para um nó em uma rede quântica.

Usar duas espécies diferentes trouxe alguns desafios, no entanto. Um problema a ser superado era uma incompatibilidade de tamanho. Uma vez que os íons dão um ao outro um impulso elétrico, eles oscilam de forma coordenada quando ficam presos um ao lado do outro. Mas o itérbio é mais pesado que o bário, criando uma incompatibilidade neste movimento que diminui a taxa em que as informações podem ser transferidas da memória de itérbio para a interface de bário.

Ao analisar este movimento acoplado, a equipe percebeu que usar o movimento ao longo da linha que conecta os dois íons - algo que normalmente é mais lento porque os íons não estão tão confinados nessa direção - aceleraria a transferência de informações.

A equipe adicionou íons de memória ao seu módulo desde os experimentos que relataram neste trabalho. Mas o foco principal daqui para frente será conectar mais módulos, com o objetivo final sendo em grande escala, computador quântico modular.