A configuração experimental dos pesquisadores da ETH. O chip armadilha está localizado dentro do recipiente abaixo da cúpula prateada, na qual uma lente capta a luz emitida pelos íons presos. Crédito:ETH Zurique / Pavel Hrmo Pesquisadores da ETH conseguiram capturar íons usando campos elétricos e magnéticos estáticos e realizar operações quânticas sobre eles. No futuro, essas armadilhas poderão ser usadas para criar computadores quânticos com muito mais bits quânticos do que era possível até agora.
Os estados de energia dos elétrons em um átomo seguem as leis da mecânica quântica:eles não são distribuídos continuamente, mas restritos a certos valores bem definidos – isso também é chamado de quantização. Esses estados quantizados são a base para bits quânticos (qubits), com os quais os cientistas desejam construir computadores quânticos extremamente poderosos. Para isso, os átomos precisam ser resfriados e presos em um só lugar.
A captura forte pode ser conseguida ionizando os átomos, o que significa dar-lhes uma carga elétrica. No entanto, uma lei fundamental do eletromagnetismo afirma que os campos elétricos constantes no tempo não podem capturar uma única partícula carregada. Ao adicionar um campo eletromagnético oscilante, por outro lado, obtém-se uma armadilha de íons estável, também conhecida como armadilha de Paul.
Desta forma, foi possível nos últimos anos construir computadores quânticos com armadilhas iônicas contendo cerca de 30 qubits. Computadores quânticos muito maiores, no entanto, não podem ser realizados diretamente com esta técnica. Os campos oscilantes dificultam a combinação de vários desses traps em um único chip, e usá-los aquece o trap – um problema mais significativo à medida que os sistemas ficam maiores. Enquanto isso, o transporte de íons é restrito a passar por seções lineares conectadas por cruzes.
Esquema mostrando a seção intermediária da armadilha Penning usada. Um íon (vermelho) é capturado através de uma combinação de um campo elétrico produzido por diferentes eletrodos (amarelo) e um campo magnético. Crédito:ETH Zurique / Instituto de Eletrônica Quântica
Armadilha de íons com campo magnético
Uma equipe de pesquisadores da ETH Zurique liderada por Jonathan Home demonstrou agora que armadilhas de íons adequadas para uso em computadores quânticos também podem ser construídas usando campos magnéticos estáticos em vez de campos oscilantes. Nessas armadilhas estáticas com campo magnético adicional, chamadas armadilhas de Penning, foram realizados tanto o transporte arbitrário quanto as operações necessárias para os futuros supercomputadores. Os pesquisadores publicaram recentemente seus resultados na revista científica Nature .
"Tradicionalmente, as armadilhas Penning são usadas quando se deseja capturar muitos íons para experimentos de precisão, mas sem ter que controlá-los individualmente", diz Ph.D. estudante Shreyans Jain. "Por outro lado, nos computadores quânticos menores baseados em íons, são usadas armadilhas Paul."
A ideia dos pesquisadores da ETH de construir futuros computadores quânticos também usando armadilhas de Penning foi inicialmente recebida com ceticismo por seus colegas por vários motivos. As armadilhas de pening requerem ímãs extremamente fortes, que são muito caros e bastante volumosos.
Além disso, todas as realizações anteriores de armadilhas de Penning foram muito simétricas, algo que as estruturas em escala de chip usadas na ETH violam. Colocar o experimento dentro de um grande ímã torna difícil guiar os feixes de laser necessários para controlar os qubits para dentro da armadilha, enquanto campos magnéticos fortes aumentam o espaçamento entre os estados de energia dos qubits. Isso, por sua vez, torna os sistemas de controle de laser muito mais complexos:em vez de um simples laser de diodo, são necessários vários lasers de fase bloqueada.
Mover um único íon preso em um plano bidimensional e iluminá-lo com um feixe de laser permite que os pesquisadores criem o logotipo da ETH. A imagem é formada com uma média de muitas repetições da sequência de transporte. Crédito:ETH Zurique / Instituto de Eletrônica Quântica
Transporte em direções arbitrárias
Home e seus colaboradores não se deixaram intimidar por essas dificuldades, porém, e construíram uma armadilha Penning baseada em um ímã supercondutor e um chip microfabricado com vários eletrodos, que foi produzida no Physikalisch-Technische Bundesanstalt em Braunschweig. O ímã usado fornece um campo de 3 Tesla, quase 100.000 vezes mais forte que o campo magnético da Terra. Usando um sistema de espelhos resfriados criogenicamente, os pesquisadores de Zurique conseguiram canalizar a luz laser necessária através do ímã para os íons.
Os esforços valeram a pena:um único íon aprisionado, que pode permanecer na armadilha por vários dias, agora pode ser movido arbitrariamente no chip, conectando pontos "em linha reta", controlando os diferentes eletrodos - isso não era possível anteriormente com o abordagem antiga baseada em campos oscilantes. Como não são necessários campos oscilantes para o trapping, muitos desses traps podem ser empacotados em um único chip.
"Uma vez carregados, podemos até isolar completamente os eletrodos do mundo exterior e, assim, investigar quão fortemente os íons são perturbados por influências externas", diz Tobias Sägesser, que esteve envolvido no experimento como Ph.D. estudante.
Controle coerente do qubit
Os pesquisadores também demonstraram que os estados de energia do qubit do íon aprisionado também poderiam ser controlados, mantendo as superposições da mecânica quântica. O controle coerente funcionou tanto com os estados eletrônicos (internos) do íon quanto com os estados de oscilação quantizada (externa), bem como para acoplar os estados quânticos internos e externos. Este último é um pré-requisito para a criação de estados emaranhados, que são importantes para computadores quânticos.
Como próximo passo, Home quer capturar dois íons em armadilhas Penning vizinhas no mesmo chip e assim demonstrar que operações quânticas com vários qubits também podem ser realizadas. Esta seria a prova definitiva de que computadores quânticos podem ser realizados usando íons em armadilhas de Penning. O professor também tem outras aplicações em mente. Por exemplo, uma vez que os íons na nova armadilha podem ser movidos de forma flexível, eles podem ser usados para sondar campos elétricos, magnéticos ou de micro-ondas próximos a superfícies. Isto abre a possibilidade de utilizar estes sistemas como sensores atômicos de propriedades de superfície.
