p Os computadores quânticos são, em grande parte, dispositivos hipotéticos que podem realizar alguns cálculos muito mais rapidamente do que os computadores convencionais. Em vez dos bits da computação clássica, que pode representar 0 ou 1, computadores quânticos consistem em bits quânticos, ou qubits, que pode, em algum sentido, representam 0 e 1 simultaneamente. p Embora sistemas quânticos com até 12 qubits tenham sido demonstrados em laboratório, construir computadores quânticos complexos o suficiente para realizar cálculos úteis exigirá a miniaturização da tecnologia qubit, da mesma forma que a miniaturização de transistores habilitou os computadores modernos.

p Íons presos são provavelmente a tecnologia qubit mais amplamente estudada, mas eles exigiram historicamente um aparato de hardware grande e complexo. Nos dias de hoje Nature Nanotechnology , pesquisadores do MIT e do MIT Lincoln Laboratory relatam um passo importante em direção aos computadores quânticos práticos, com um artigo que descreve um chip de protótipo que pode capturar íons em um campo elétrico e, com ótica integrada, direcione a luz do laser para cada um deles.

p “Se você olhar para a montagem tradicional, é um barril que tem um vácuo dentro dele, e dentro dela está a gaiola que está prendendo os íons. Então, há basicamente um laboratório inteiro de óptica externa que está guiando os feixes de laser para a montagem dos íons, "diz Rajeev Ram, um professor de engenharia elétrica do MIT e um dos autores sênior do artigo. "Nossa visão é pegar esse laboratório externo e miniaturizar grande parte dele em um chip."

p Enjaulado em

p O grupo de Informação Quântica e Nanosistemas Integrados do Laboratório Lincoln foi um dos vários grupos de pesquisa que já trabalham para desenvolver de forma mais simples, armadilhas iônicas menores conhecidas como armadilhas de superfície. Uma armadilha de íons padrão se parece com uma pequena gaiola, cujas barras são eletrodos que produzem um campo elétrico. Os íons se alinham no centro da gaiola, paralelo às barras. Uma armadilha de superfície, por contraste, é um chip com eletrodos embutidos em sua superfície. Os íons pairam 50 micrômetros acima dos eletrodos.

p Armadilhas de gaiola são intrinsecamente limitadas em tamanho, mas as armadilhas de superfície podem, em princípio, ser prorrogado indefinidamente. Com a tecnologia atual, eles ainda teriam que ser mantidos em uma câmara de vácuo, mas eles permitiriam que muitos mais qubits fossem amontoados dentro.

p "Acreditamos que as armadilhas de superfície são uma tecnologia chave para permitir que esses sistemas sejam escalados para o grande número de íons que serão necessários para a computação quântica em grande escala, "diz Jeremy Sage, que, junto com John Chiaverini, lidera o projeto de processamento de informações quânticas de íons presos do Lincoln Laboratory. "Essas armadilhas de gaiola funcionam muito bem, mas eles realmente só funcionam para talvez 10 a 20 íons, e eles basicamente atingem o máximo por lá. "

p Executando uma computação quântica, Contudo, requer o controle preciso do estado de energia de cada qubit de forma independente, e os qubits de íons presos são controlados com feixes de laser. Em uma armadilha de superfície, os íons estão separados por apenas 5 micrômetros. Acertando um único íon com um laser externo, sem afetar seus vizinhos, é incrivelmente difícil; apenas alguns grupos já haviam tentado isso, e suas técnicas não eram práticas para sistemas de grande escala.

p Subindo a bordo

p É aí que entra o grupo de Ram. Ram e Karan Mehta, um estudante de graduação do MIT em engenharia elétrica e primeiro autor do novo artigo, projetou e construiu um conjunto de componentes ópticos no chip que podem canalizar a luz laser para íons individuais. Sábio, Chiaverini, e seus colegas do Lincoln Lab, Colin Bruzewicz e Robert McConnell, reorganizaram sua armadilha de superfície para acomodar a óptica integrada sem comprometer seu desempenho. Juntos, ambos os grupos projetaram e executaram os experimentos para testar o novo sistema.

p "Tipicamente, para armadilhas de eletrodo de superfície, o feixe de laser está vindo de uma mesa óptica e entrando neste sistema, então há sempre essa preocupação com o feixe vibrando ou se movendo, "Ram diz." Com a integração fotônica, você não está preocupado com a estabilidade da direção do feixe, porque está tudo no mesmo chip em que estão os eletrodos. Então agora tudo está registrado um contra o outro, e é estável. "

p O novo chip dos pesquisadores é construído em um substrato de quartzo. No topo do quartzo está uma rede de nitreto de silício "guias de ondas, "que direciona a luz laser através do chip. Acima dos guias de ondas há uma camada de vidro, e ainda por cima estão os eletrodos de nióbio. Abaixo dos orifícios nos eletrodos, os guias de ondas quebram em uma série de cristas sequenciais, uma "rede de difração" precisamente projetada para direcionar a luz através dos orifícios e concentrá-la em um feixe estreito o suficiente para atingir um único íon, 50 micrômetros acima da superfície do chip.

p Perspectivas

p Com o chip protótipo, os pesquisadores estavam avaliando o desempenho das redes de difração e das armadilhas de íons, mas não havia nenhum mecanismo para variar a quantidade de luz entregue a cada íon. Em trabalho contínuo, os pesquisadores estão investigando a adição de moduladores de luz às redes de difração, para que diferentes qubits possam receber simultaneamente luz de diferentes, intensidades variáveis ​​no tempo. Isso tornaria a programação dos qubits mais eficiente, que é vital em um sistema de informação quântica prático, visto que o número de operações quânticas que o sistema pode realizar é limitado pelo "tempo de coerência" dos qubits.