Entre em um laboratório quântico onde os cientistas prendem íons, e você encontrará bancadas cheias de espelhos e lentes, todos os lasers de foco para atingir um íon "preso" no lugar acima de um chip. Usando lasers para controlar íons, os cientistas aprenderam a aproveitar os íons como bits quânticos, ou qubits, a unidade básica de dados em um computador quântico. Mas essa configuração de laser agora está atrapalhando as pesquisas - tornando difícil fazer experiências com mais do que alguns íons e tirar esses sistemas do laboratório para uso real.

Agora, Os pesquisadores do Lincoln Laboratory desenvolveram uma forma compacta de fornecer luz laser aos íons presos. Em um artigo publicado em Natureza , os pesquisadores descrevem um bloco de fibra óptica que se conecta ao chip de armadilha de íons, acoplar luz a guias de ondas ópticas fabricados no próprio chip. Por meio desses guias de ondas, vários comprimentos de onda de luz podem ser encaminhados através do chip e liberados para atingir os íons acima dele.

"Está claro para muitas pessoas na área que a abordagem convencional, usando ótica de espaço livre, como espelhos e lentes, só irá até certo ponto, "diz Jeremy Sage, um autor no artigo e uma equipe sênior no Grupo de Nanosistemas Integrados e Informações Quânticas do Lincoln Laboratory. "Se a luz, em vez disso, for trazida para o chip, ele pode ser direcionado para os vários locais onde precisa estar. A entrega integrada de muitos comprimentos de onda pode levar a uma plataforma muito escalável e portátil. Estamos mostrando pela primeira vez que isso pode ser feito. "

Múltiplas cores

A computação com íons aprisionados requer o controle preciso de cada íon de forma independente. A óptica de espaço livre funcionou bem ao controlar alguns íons em uma curta cadeia unidimensional. Mas acertar um único íon em um aglomerado maior ou bidimensional, sem atingir seus vizinhos, é extremamente difícil. Ao imaginar um computador quântico prático que requer milhares de íons, esta tarefa de controle do laser parece impraticável.

Esse problema iminente levou os pesquisadores a encontrar outra maneira. Em 2016, Os pesquisadores do Lincoln Laboratory e do MIT demonstraram um novo chip com ótica integrada. Eles focaram um laser vermelho no chip, onde guias de ondas no chip encaminhavam a luz para um acoplador de grade, uma espécie de faixa de ruído para interromper a luz e direcioná-la para o íon.

A luz vermelha é crucial para fazer uma operação fundamental chamada porta quântica, que a equipe realizou naquela primeira demonstração. Mas até seis lasers de cores diferentes são necessários para fazer tudo o que é necessário para a computação quântica:preparar o íon, acalme-se, leia seu estado de energia, e realizar portas quânticas. Com este chip mais recente, a equipe estendeu sua prova de princípio ao restante desses comprimentos de onda exigidos, do violeta ao infravermelho próximo.

"Com esses comprimentos de onda, conseguimos realizar o conjunto fundamental de operações de que você precisa para controlar os íons presos, "diz John Chiaverini, também um autor no papel. A única operação que eles não realizaram, um portão de dois qubit, foi demonstrado por uma equipe da ETH Zürich usando um chip semelhante ao trabalho de 2016, e é descrito em um artigo no mesmo Natureza edição. "Este trabalho emparelhado com o nosso mostra que você tem tudo o que precisa para começar a construir matrizes maiores de íons presos, "Acrescenta Chiaverini.

Fibra ótica

Para dar o salto de um para vários comprimentos de onda, a equipe desenvolveu um método para unir um bloco de fibra óptica diretamente ao lado do chip. O bloco consiste em quatro fibras ópticas, cada um específico para uma certa faixa de comprimentos de onda. Essas fibras se alinham com um guia de ondas correspondente padronizado diretamente no chip.

"Alinhar a matriz de blocos de fibra aos guias de onda no chip e aplicar o epóxi foi como se estivesse realizando uma cirurgia. Foi um processo muito delicado. Tínhamos cerca de meio mícron de tolerância e precisava sobreviver ao resfriamento até 4 Kelvin, "diz Robert Niffenegger, quem conduziu os experimentos e é o primeiro autor do artigo.

No topo dos guias de ondas está uma camada de vidro. No topo do vidro estão eletrodos de metal, que produzem campos elétricos que mantêm o íon no lugar; orifícios são cortados do metal sobre os engates de grade onde a luz é liberada. Todo o dispositivo foi fabricado no Laboratório de Microeletrônica do Lincoln Laboratory.

Projetar guias de onda que possam fornecer luz aos íons com baixa perda, evitando absorção ou espalhamento, foi um desafio, já que a perda tende a aumentar com comprimentos de onda mais azuis. “Foi um processo de desenvolvimento de materiais, padronizando os guias de ondas, testando-os, medir o desempenho, e tentando novamente. Também tivemos que garantir que os materiais dos guias de ondas funcionassem não apenas com os comprimentos de onda de luz necessários, mas também que eles não interferiram com os eletrodos de metal que prendem o íon, "Sage diz.

Escalável e portátil

A equipe agora está ansiosa para saber o que pode fazer com este chip totalmente integrado à luz. Para um, "faça mais, "diz Niffenegger." Colocar esses chips em uma matriz poderia reunir muito mais íons, cada um capaz de ser controlado com precisão, abrindo a porta para computadores quânticos mais poderosos. "

Daniel Slichter, um físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia que não estava envolvido nesta pesquisa, diz, "Esta tecnologia prontamente escalável permitirá sistemas complexos com muitos feixes de laser para operações paralelas, tudo alinhado automaticamente e robusto para vibrações e condições ambientais, e será, em minha opinião, crucial para a realização de processadores quânticos de íons aprisionados com milhares de qubits. "

Uma vantagem desse chip integrado a laser é que ele é inerentemente resistente a vibrações. Com lasers externos, qualquer vibração do laser faria com que ele perdesse o íon, assim como quaisquer vibrações no chip. Agora que os feixes de laser e o chip estão acoplados, os efeitos das vibrações são efetivamente anulados.

Esta estabilidade é importante para os íons sustentarem a "coerência, "ou operar como qubits por tempo suficiente para computar com eles. Também é importante se os sensores de íons presos se tornarem portáteis. Relógios atômicos baseados em íons presos, por exemplo, poderia manter o tempo com muito mais precisão do que o padrão de hoje, e pode ser usado para melhorar a precisão do GPS, que se baseia na sincronização de relógios atômicos transportados por satélites.

"Vemos este trabalho como um exemplo de ponte entre ciência e engenharia, que oferece uma verdadeira vantagem tanto para a academia quanto para a indústria, "Sage diz. Preencher essa lacuna é o objetivo do Centro de Engenharia Quântica do MIT, onde Sage é o investigador principal. "Precisamos que a tecnologia quântica seja robusta, entregável, e amigável, para pessoas que não são PhDs em física quântica, "Sage diz.

Simultaneamente, a equipe espera que este dispositivo possa ajudar a impulsionar a pesquisa acadêmica. "Queremos que outros institutos de pesquisa usem essa plataforma para que possam se concentrar em outros desafios, como programar e executar algoritmos com íons presos nesta plataforma, por exemplo. Vemos isso abrindo a porta para uma maior exploração da física quântica, "Chiaverini diz.