Pesquisadores da ETH demonstraram uma nova técnica para realizar operações quânticas sensíveis em átomos. Nesta técnica, a luz do laser de controle é fornecida diretamente dentro de um chip. Isso deve possibilitar a construção de computadores quânticos em grande escala com base em átomos aprisionados.

Acertar um ponto específico em uma tela com um apontador laser durante uma apresentação não é fácil - mesmo o mais ínfimo tremor nervoso da mão torna-se um grande rabisco à distância. Agora imagine ter que fazer isso com vários ponteiros laser ao mesmo tempo. Esse é exatamente o problema enfrentado pelos físicos que tentam construir computadores quânticos usando átomos individuais presos. Elas, também, precisa apontar feixes de laser - centenas ou mesmo milhares deles no mesmo aparelho - precisamente por vários metros, de modo a atingir regiões de apenas alguns micrômetros de tamanho que contêm os átomos. Qualquer vibração indesejada perturbará gravemente a operação do computador quântico.

Na ETH em Zurique, Jonathan Home e seus colegas de trabalho no Institute for Quantum Electronics demonstraram agora um novo método que lhes permite entregar múltiplos feixes de laser precisamente para os locais certos de dentro de um chip de maneira tão estável que até mesmo as operações quânticas mais delicadas no átomos podem ser realizados.

Visando o computador quântico

Construir computadores quânticos tem sido uma meta ambiciosa dos físicos há mais de trinta anos. Átomos carregados eletricamente - íons - presos em campos elétricos revelaram-se candidatos ideais para os bits quânticos ou qubits, que os computadores quânticos usam para seus cálculos. Até aqui, minicomputadores contendo cerca de uma dúzia de qubits podem ser realizados dessa maneira. "Contudo, se você quiser construir computadores quânticos com vários milhares de qubits, que provavelmente será necessário para aplicações praticamente relevantes, as implementações atuais apresentam alguns obstáculos importantes, "diz Karan Mehta, pós-doutorado no laboratório de Home e primeiro autor do estudo publicado recentemente na revista científica Natureza . Essencialmente, o problema é como enviar feixes de laser a vários metros do laser para um aparelho a vácuo e, por fim, atingir o alvo dentro de um criostato, em que as armadilhas de íons são resfriadas a apenas alguns graus acima do zero absoluto, a fim de minimizar os distúrbios térmicos.

Configuração óptica como um obstáculo

"Já nos sistemas atuais de pequena escala, a óptica convencional é uma fonte significativa de ruído e erros - e isso fica muito mais difícil de gerenciar ao tentar aumentar a escala ", Mehta explica. Quanto mais qubits alguém adiciona, mais complexa se torna a ótica para os feixes de laser, o que é necessário para controlar os qubits. "É aqui que entra a nossa abordagem", adiciona Chi Zhang, um Ph.D. aluno do grupo de Home:"Ao integrar guias de onda minúsculos nos chips que contêm os eletrodos para aprisionar os íons, podemos enviar a luz diretamente para esses íons. Desta maneira, as vibrações do criostato ou de outras partes do aparelho produzem muito menos perturbações. "

Os pesquisadores encomendaram uma fundição comercial para produzir chips que contenham eletrodos de ouro para as armadilhas de íons e, em uma camada mais profunda, guias de ondas para luz laser. Em uma das pontas dos chips, fibras ópticas alimentam a luz nos guias de ondas, que têm apenas 100 nanômetros de espessura, efetivamente formando fiação óptica dentro dos chips. Cada um desses guias de onda leva a um ponto específico no chip, onde a luz é eventualmente desviada para os íons aprisionados na superfície.

Trabalho de alguns anos atrás (por alguns dos autores do presente estudo, juntamente com pesquisadores do MIT e do MIT Lincoln Laboratory) demonstraram que essa abordagem funciona em princípio. Agora, o grupo ETH desenvolveu e refinou a técnica a ponto de também ser possível usá-la para implementar portas lógicas quânticas de baixo erro entre diferentes átomos, um pré-requisito importante para a construção de computadores quânticos.

Portas lógicas de alta fidelidade

Em um chip de computador convencional, portas lógicas são usadas para realizar operações lógicas como AND ou NOR. Para construir um computador quântico, deve-se ter certeza de que pode realizar tais operações lógicas nos qubits. O problema com isso é que as portas lógicas agindo em dois ou mais qubits são particularmente sensíveis a distúrbios. Isso ocorre porque eles criam estados mecânicos quânticos frágeis em que dois íons estão simultaneamente em uma superposição, também conhecido como estados emaranhados.

Em tal superposição, a medição de um íon influencia o resultado de uma medição do outro íon, sem os dois estarem em contato direto. Quão bem a produção desses estados de superposição funciona, e, portanto, quão boas são as portas lógicas, é expressa pela chamada fidelidade. "Com o novo chip, fomos capazes de realizar portas lógicas de dois qubit e usá-las para produzir estados emaranhados com uma fidelidade que até agora só poderia ser alcançada nos melhores experimentos convencionais, "diz Maciej Malinowski, que também estava envolvido no experimento como um Ph.D. estudante.

Os pesquisadores mostraram, portanto, que sua abordagem é interessante para futuros computadores quânticos de armadilhas de íons, pois não é apenas extremamente estável, mas também escalável. Eles estão trabalhando atualmente com diferentes chips que têm como objetivo controlar até dez qubits por vez. Além disso, eles estão buscando novos projetos para operações quânticas rápidas e precisas, possibilitadas pela fiação óptica.