Uma nova técnica de resfriamento que utiliza uma única espécie de íon aprisionado tanto para computação quanto para resfriamento poderia simplificar o uso de dispositivos quânticos de carga acoplada (QCCDs), potencialmente aproximando a computação quântica de aplicações práticas.



Usando uma técnica chamada resfriamento rápido por troca iônica, cientistas do Georgia Tech Research Institute (GTRI) mostraram que poderiam resfriar um íon de cálcio – que ganha energia vibracional ao fazer cálculos quânticos – movendo um íon frio da mesma espécie para uma proximidade próxima. . Depois de transferir energia do íon quente para o frio, o íon refrigerante retorna a um reservatório próximo para ser resfriado para uso posterior.

A pesquisa é publicada na revista Nature Communications .

O resfriamento iônico convencional para QCCDs envolve o uso de duas espécies diferentes de íons, com íons de resfriamento acoplados a lasers de comprimento de onda diferente que não afetam os íons usados ​​para computação quântica. Além dos lasers necessários para controlar as operações de computação quântica, esta técnica de resfriamento simpático requer lasers adicionais para capturar e controlar os íons refrigerantes, e isso aumenta a complexidade e retarda as operações de computação quântica.

"Mostramos um novo método para resfriar íons de forma mais rápida e simples nesta promissora arquitetura QCCD", disse Spencer Fallek, cientista pesquisador do GTRI. "O resfriamento de troca rápida pode ser mais rápido porque o transporte dos íons de resfriamento requer menos tempo do que o resfriamento a laser de duas espécies diferentes. E é mais simples porque o uso de duas espécies diferentes requer operação e controle de mais lasers."

O vídeo mostra como um íon computacional pode ser resfriado aproximando-o de um íon refrigerante da mesma espécie atômica. Crédito:Georgia Tech Research Institute
O movimento dos íons ocorre em uma armadilha mantida pelo controle preciso de tensões que criam um potencial elétrico entre os contatos de ouro. Mas mover um átomo frio de uma parte da armadilha é um pouco como mover uma tigela com uma bola de gude no fundo.

Quando a tigela para de se mover, a bola de gude deve ficar parada – e não rolar na tigela, explicou Kenton Brown, principal cientista pesquisador do GTRI que trabalha em questões de computação quântica há mais de 15 anos.

"Isso é basicamente o que estamos sempre tentando fazer com esses íons quando movemos o potencial confinante, que é como a tigela, de um lugar para outro na armadilha", disse ele. "Quando terminarmos de mover o potencial confinante para o local final da armadilha, não queremos que o íon se mova dentro do potencial."

Uma vez que o íon quente e o íon frio estão próximos um do outro, ocorre uma simples troca de energia e o íon frio original – agora aquecido por sua interação com um íon computacional – pode ser separado e devolvido a um reservatório próximo de íons resfriados.

Os pesquisadores do GTRI demonstraram até agora um sistema de prova de conceito de dois íons, mas dizem que sua técnica é aplicável ao uso de múltiplos íons de computação e resfriamento, e outras espécies de íons.

Uma única troca de energia removeu mais de 96% do calor – medido como 102(5) quanta – do íon computacional, o que foi uma agradável surpresa para Brown, que esperava que múltiplas interações pudessem ser necessárias. Os pesquisadores testaram a troca de energia variando a temperatura inicial dos íons computacionais e descobriram que a técnica é eficaz independentemente da temperatura inicial. Eles também demonstraram que a operação de troca de energia pode ser realizada múltiplas vezes.

O calor - essencialmente energia vibracional - penetra no sistema de íons aprisionados por meio da atividade computacional e do aquecimento anômalo, como o inevitável ruído de radiofrequência na própria armadilha de íons. Como o íon de computação absorve calor dessas fontes enquanto está sendo resfriado, a remoção de mais de 96% da energia exigirá mais melhorias, disse Brown.

Os pesquisadores prevêem que, em um sistema operacional, os átomos resfriados estariam disponíveis em um reservatório ao lado das operações do QCCD e mantidos a uma temperatura constante. Os íons de computação não podem ser resfriados diretamente a laser porque isso apagaria os dados quânticos que eles contêm.

O calor excessivo em um sistema QCCD afeta negativamente a fidelidade das portas quânticas, introduzindo erros no sistema. Os pesquisadores do GTRI ainda não construíram um QCCD que utilize sua técnica de resfriamento, embora esse seja um passo futuro na pesquisa. Outro trabalho futuro inclui acelerar o processo de resfriamento e estudar sua eficácia no movimento de resfriamento ao longo de outras direções espaciais.

O componente experimental do experimento de resfriamento de troca rápida foi guiado por simulações feitas para prever, entre outros fatores, os caminhos que os íons seguiriam em sua jornada dentro da armadilha de íons. “Definitivamente entendemos o que procurávamos e como deveríamos fazer para alcançá-lo com base na teoria e nas simulações que tínhamos”, disse Brown.

A armadilha de íons exclusiva foi fabricada por colaboradores do Sandia National Laboratories. Os pesquisadores do GTRI usaram placas de geração de tensão controladas por computador capazes de produzir formas de onda específicas na armadilha, que tem um total de 154 eletrodos, dos quais o experimento utilizou 48. Os experimentos aconteceram em um criostato mantido a cerca de 4 graus Kelvin.

A Divisão de Sistemas Quânticos (QSD) do GTRI investiga sistemas de computação quântica baseados em íons atômicos individuais presos e novos dispositivos de sensores quânticos baseados em sistemas atômicos. Os pesquisadores do GTRI projetaram, fabricaram e demonstraram uma série de armadilhas de íons e componentes de última geração para apoiar sistemas integrados de informação quântica. Entre as tecnologias desenvolvidas está a capacidade de transportar íons com precisão para onde eles são necessários.

"Temos um controle muito preciso de como os íons se movem, a velocidade com que eles podem ser reunidos, o potencial que apresentam quando estão próximos uns dos outros e o tempo necessário para fazer experimentos como este", disse Fallek.

Outros pesquisadores do GTRI envolvidos no projeto incluíram Craig Clark, Holly Tinkey, John Gray, Ryan McGill e Vikram Sandhu. A pesquisa foi feita em colaboração com o Laboratório Nacional de Los Alamos.

Mais informações: Spencer D. Fallek et al, Resfriamento de troca rápida com íons aprisionados, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45232-z
Informações do diário: Comunicações da Natureza

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