p Das muitas abordagens divergentes para a construção de um computador quântico prático, um dos caminhos mais promissores leva às armadilhas de íons. Nessas armadilhas, íons individuais são mantidos parados e servem como unidades básicas de dados, ou qubits, do computador. Com a ajuda de lasers, esses qubits interagem entre si para realizar operações lógicas. p Os experimentos de laboratório com um pequeno número de íons presos funcionam bem, mas ainda há muito trabalho a ser feito para descobrir as partes básicas de um computador quântico com armadilha iônica escalonável. Que tipo de íons devem ser usados? Quais tecnologias serão capazes de controlar, manipular, e ler as informações quânticas armazenadas nesses íons?

p Para responder a essas perguntas, Os pesquisadores do MIT Lincoln Laboratory se voltaram para um par promissor:íons de cálcio (Ca) e estrôncio (Sr). Em um artigo publicado na npj Quantum Information, a equipe descreve o uso desses íons para realizar operações de lógica quântica e os considera favoráveis ​​para múltiplas arquiteturas de computação quântica. Entre suas vantagens, esses íons podem ser manipulados usando luz visível e infravermelha, em oposição ao ultravioleta, que é necessário para muitos tipos de íons sendo usados ​​em experimentos. Ao contrário da luz ultravioleta, já existe tecnologia que seria capaz de fornecer luz visível e infravermelha para uma grande variedade de íons aprisionados.

p “Que tipo de arquitetura de processamento de informação quântica é viável para íons aprisionados? seria importante saber desde o início, antes de seguir por esse caminho, "diz John Chiaverini, equipe sênior do Grupo Quantum Information and Integrated Nanosystems. "Acreditamos que não teremos que inventar um novo sistema de engenharia, e não resolver um novo grupo de problemas, usando essas espécies de íons. "

p Frio e calculista

p Para prender íons, cientistas começam com uma câmara de vácuo de aço, eletrodos de habitação em um chip que é resfriado a quase 450 graus abaixo de zero Fahrenheit. Os átomos de Ca e Sr fluem para a câmara. Múltiplos lasers expulsam elétrons dos átomos, transformando os átomos de Ca e Sr em íons. Os eletrodos geram campos elétricos que capturam os íons e os mantêm 50 micrômetros acima da superfície do chip. Outros lasers resfriam os íons, mantê-los na armadilha.

p Então, os íons são reunidos para formar um cristal de Ca + / Sr +. Cada tipo de íon desempenha um papel único nesta parceria. O íon Sr hospeda o qubit para computação. Para resolver um problema, um computador quântico quer saber o nível de energia, ou estado quântico, do elétron mais externo de um íon. O elétron pode estar em seu nível de energia mais baixo ou estado fundamental (denotado), algum nível de energia mais alto ou estado excitado (denotado), ou ambos os estados ao mesmo tempo. Essa estranha capacidade de estar em vários estados simultaneamente é chamada de superposição, e é o que dá aos computadores quânticos o poder de experimentar muitas soluções possíveis para um problema de uma só vez.

p Mas a superposição é difícil de manter. Uma vez que um qubit é observado, por exemplo, ao usar luz laser para ver em que nível de energia seu elétron está - ele colapsa em um ou zero. Para fazer um computador quântico prático, os cientistas precisam criar maneiras de medir os estados de apenas um subconjunto dos qubits do computador, sem perturbar todo o sistema.

p Essa necessidade nos leva de volta ao papel do íon de Ca - o qubit auxiliar. Com uma massa semelhante ao íon Sr, tira energia extra do íon Sr para mantê-lo resfriado e ajudá-lo a manter suas propriedades quânticas. Pulsos de laser então empurram os dois íons para o emaranhamento, formando uma porta através da qual o íon Sr pode transferir sua informação quântica para o íon Ca.

p "Quando dois qubits estão emaranhados, seus estados são dependentes uns dos outros. Eles são chamados de 'assustadoramente correlacionados, '"Chiaverini disse. Esta correlação significa que ler o estado de um qubit informa o estado do outro. Para ler este estado, os cientistas interrogam o íon de Ca com um laser em um comprimento de onda com o qual apenas o elétron do íon de Ca vai interagir, deixando o íon Sr não afetado. Se o elétron estiver no estado fundamental, ele emitirá fótons, que são coletados por detectores. O íon permanecerá escuro se estiver em um estado metaestável excitado.

p "O que é bom em usar este íon auxiliar para leitura é que podemos usar comprimentos de onda que não afetam os íons computacionais ao seu redor; a informação quântica permanece saudável. Então, o íon auxiliar tem dupla função; ele remove a energia térmica do íon Sr e tem baixa diafonia quando eu quero ler apenas aquele qubit, "diz Colin Bruzewicz, quem construiu o sistema e conduziu a experimentação.

p A fidelidade do emaranhamento de Ca + / Sr + em seu experimento foi de 94 por cento. Fidelidade é a probabilidade de que a porta entre os dois qubits produziu o estado quântico que era esperado - que o emaranhamento funcionou. A fidelidade deste sistema é alta o suficiente para demonstrar a funcionalidade básica da lógica quântica, mas ainda não alto o suficiente para um computador quântico totalmente corrigido de erros. A equipe também enredou íons em diferentes configurações, como os dois íons nas extremidades de uma string Sr + / Ca + / Sr +, com fidelidade semelhante.

p Uma correspondência de comprimento de onda

p Atualmente, a configuração da armadilha de íons é grande e coreografa o uso de 12 lasers de cores diferentes. Esses lasers passam pelas janelas da câmara criogênica e têm como objetivo atingir os íons. Um computador quântico prático - que pode resolver problemas melhor do que um computador clássico - precisará de um conjunto de milhares ou até milhões de íons. Nesse cenário, seria praticamente impossível atingir precisamente os íons certos sem perturbar os estados quânticos dos íons vizinhos. Os pesquisadores do Lincoln Laboratory têm trabalhado nos últimos anos em uma maneira de entregar os lasers através de "grades" no chip onde os íons pairam acima. Esse chip fotônico integrado simplifica a configuração e garante que o laser certo atinja o alvo pretendido. Ano passado, a equipe conseguiu a primeira demonstração bem-sucedida de uma perda baixa, plataforma fotônica integrada com distribuição de luz variando do espectro visível ao infravermelho.

p Convenientemente, os comprimentos de onda necessários para o resfriamento de íons Ca e Sr, enredando-os, e lê-los todos se enquadram neste mesmo espectro. Essa sobreposição simplifica os requisitos de laser do sistema, ao contrário de outros pares de íons, cada um requer comprimentos de onda amplamente diferentes. "Esses íons podem ser usados ​​com fotônica integrada. Eles combinam com o comprimento de onda. Faz sentido para a engenharia usá-los, "Bruzewicz diz.

p Além disso, muitos tipos de íons aprisionados que os cientistas quânticos estão explorando precisam de luz ultravioleta para sua excitação. Mas pode ser difícil trabalhar com a luz ultravioleta. Guias de onda e outros dispositivos fotônicos que transportam a luz para os íons tendem a perder parte da luz no caminho. O fornecimento de luz ultravioleta para sistemas de íons aprisionados em grande escala exigiria muito mais energia, ou a engenharia de novos materiais que sofrem menos perdas.

p "É muito mais simples trabalhar com esta luz do que com o ultravioleta, especialmente quando você começa a colocar muitos desses íons juntos. Mas esse é o desafio - ninguém sabe realmente que tipo de arquitetura permitirá a computação quântica que é útil. O júri ainda está ausente, "Chiaverini reflete." Neste caso, estamos pensando sobre o que pode ser mais vantajoso para aumentar a escala de um sistema. Esses íons são muito receptivos a isso. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.