Una nueva técnica podría mejorar la escalabilidad de las computadoras cuánticas de iones atrapados, un paso esencial para hacerlas prácticamente útiles.

Adam Zewe | Noticias del MIT

Las computadoras cuánticas podrían resolver rápidamente problemas complejos que a las supercomputadoras clásicas más potentes les tomaría décadas resolver. Pero necesitarán ser lo suficientemente grandes y estables como para realizar operaciones eficientemente. Para afrontar este reto, investigadores del MIT y de otros lugares están desarrollando computadoras cuánticas de iones atrapados basadas en chips fotónicos ultracompactos. Estos sistemas basados ​​en chips ofrecen una alternativa escalable a las computadoras cuánticas de iones atrapados existentes, que dependen de equipos ópticos voluminosos

Los iones en estas computadoras cuánticas deben enfriarse a temperaturas extremadamente bajas para minimizar las vibraciones y evitar errores. Hasta ahora, estos sistemas de iones atrapados basados ​​en chips fotónicos se han limitado a métodos de enfriamiento lento e ineficiente.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y del Laboratorio Lincoln del MIT ha implementado un método mucho más rápido y energéticamente eficiente para enfriar iones atrapados mediante chips fotónicos. Su enfoque logró un enfriamiento aproximadamente 10 veces inferior al límite del enfriamiento láser estándar.

La clave de esta técnica es un chip fotónico que incorpora antenas diseñadas con precisión para manipular haces de luz estrechamente enfocados e intersectados.

La demostración inicial de los investigadores da un paso clave hacia arquitecturas escalables basadas en chips que algún día podrían permitir sistemas de computación cuántica con mayor eficiencia y estabilidad.

“Logramos diseñar dispositivos fotónicos integrados con diversa polarización, utilizarlos para desarrollar diversos sistemas novedosos basados ​​en fotónica integrada y aplicarlos para demostrar un enfriamiento iónico muy eficiente. Sin embargo, esto es solo el comienzo de lo que podemos lograr con estos dispositivos. Al introducir la diversidad de polarización en los sistemas de iones atrapados basados ​​en fotónica integrada, este trabajo abre la puerta a diversas operaciones avanzadas para iones atrapados que antes no eran alcanzables, incluso más allá del enfriamiento iónico eficiente; todas estas son líneas de investigación que nos entusiasma explorar en el futuro”, afirma Jelena Notaros, profesora asociada de Desarrollo Profesional Robert J. Shillman de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) en el MIT, miembro del Laboratorio de Investigación en Electrónica y autora principal de un artículo sobre esta arquitectura.

En el artículo, la acompañan los autores principales Sabrina Corsetti, estudiante de posgrado de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Computadores (EECS); Ethan Clements, exinvestigador posdoctoral y actual científico del Laboratorio Lincoln del MIT; Felix Knollmann, estudiante de posgrado del Departamento de Física; John Chiaverini, miembro sénior del equipo técnico del Laboratorio Lincoln e investigador principal del Centro de Ingeniería Cuántica del MIT; así como otros investigadores del Laboratorio Lincoln y del MIT.

Buscando escalabilidad

Si bien existen muchos tipos de sistemas cuánticos, esta investigación se centra en la computación cuántica de iones atrapados. En esta aplicación, una partícula cargada llamada ion se forma al desprender un electrón de un átomo, y luego se atrapa mediante señales de radiofrecuencia y se manipula mediante señales ópticas

Los investigadores utilizan láseres para codificar información en el ion atrapado modificando su estado. De esta forma, el ion puede utilizarse como un bit cuántico o cúbit. Los cúbits son los componentes básicos de una computadora cuántica.

Para evitar colisiones entre iones y moléculas de gas en el aire, estos se mantienen en vacío, a menudo creado con un dispositivo conocido como criostato. Tradicionalmente, se colocan láseres voluminosos fuera del criostato y emiten diferentes haces de luz a través de sus ventanas hacia el chip. Estos sistemas requieren una sala llena de componentes ópticos para abordar tan solo unas pocas docenas de iones, lo que dificulta su escalabilidad a la gran cantidad de iones necesaria para la computación cuántica avanzada. Ligeras vibraciones fuera del criostato también pueden interrumpir los haces de luz, lo que en última instancia reduce la precisión de la computadora cuántica.

Para superar estos desafíos, los investigadores del MIT han estado desarrollando sistemas basados ​​en fotónica integrada. En este caso, la luz se emite desde el mismo chip que atrapa el ion. Esto mejora la escalabilidad al eliminar la necesidad de componentes ópticos externos.

“Ahora podemos imaginar tener miles de sitios en un solo chip que interactúen con muchos iones y trabajen juntos de manera escalable”, afirma Knollmann.

Pero las demostraciones basadas en fotónica integrada realizadas hasta la fecha han logrado eficiencias de enfriamiento limitadas.

Manteniendo la calma

Para permitir operaciones cuánticas rápidas y precisas, los investigadores utilizan campos ópticos para reducir la energía cinética del ion atrapado. Esto hace que el ion se enfríe hasta casi el cero absoluto, una temperatura efectiva incluso más fría que la que pueden alcanzar los criostatos

Sin embargo, los métodos comunes tienen un límite inferior de enfriamiento más alto, por lo que el ion aún conserva mucha energía vibracional una vez finalizado el proceso de enfriamiento. Esto dificultaría el uso de los cúbits para cálculos de alta calidad.

Los investigadores del MIT utilizaron un enfoque más complejo, conocido como enfriamiento por gradiente de polarización, que implica la interacción precisa de dos haces de luz.

Cada haz de luz tiene una polarización diferente, lo que significa que el campo de cada haz oscila en una dirección distinta (arriba y abajo, de lado a lado, etc.). Donde estos haces se intersecan, forman un vórtice de luz giratorio que puede forzar la detención de la vibración del ion con mayor eficiencia.

Aunque este enfoque ya se había demostrado anteriormente utilizando óptica en masa, no se había demostrado antes utilizando fotónica integrada.

Para permitir esta interacción más compleja, los investigadores diseñaron un chip con dos antenas a escala nanométrica, que emiten rayos de luz desde el chip para manipular el ion que se encuentra encima de él.

Estas antenas están conectadas mediante guías de onda que dirigen la luz hacia ellas. Las guías de onda están diseñadas para estabilizar el enrutamiento óptico, lo que mejora la estabilidad del patrón de vórtice generado por los haces.

Cuando emitimos luz desde antenas integradas, su comportamiento es diferente al de la óptica masiva. Los haces y los patrones de luz generados se vuelven extremadamente estables. Contar con estos patrones estables nos permite explorar el comportamiento de los iones con mucho más control, afirma Clements.

Los investigadores también diseñaron las antenas para maximizar la cantidad de luz que llega al ion. Cada antena tiene pequeñas muescas curvas que dispersan la luz hacia arriba, con la separación justa para dirigirla hacia el ion.

“Nos basamos en muchos años de desarrollo en el Laboratorio Lincoln para diseñar estas rejillas que emiten diversas polarizaciones de luz”, afirma Corsetti.

Experimentaron con varias arquitecturas, caracterizando cada una para comprender mejor cómo emitía la luz.

Con el diseño final implementado, los investigadores demostraron un enfriamiento iónico casi 10 veces inferior al límite del enfriamiento láser estándar, conocido como límite Doppler. Su chip logró alcanzar este límite en aproximadamente 100 microsegundos, varias veces más rápido que otras técnicas.

“La demostración de un rendimiento mejorado mediante la óptica integrada en el chip de trampa de iones sienta las bases para una mayor integración que permitirá nuevos enfoques para la manipulación de estados cuánticos y que podría mejorar las perspectivas del procesamiento práctico de información cuántica”, añade Chiaverini. “La clave para lograr este avance fue la colaboración interinstitucional entre el campus del MIT y los grupos de Lincoln, un modelo que podemos aprovechar a medida que avanzamos en los próximos pasos”.

En el futuro, el equipo planea realizar experimentos de caracterización en diferentes arquitecturas de chips y demostrar el enfriamiento por gradiente de polarización con múltiples iones. Además, esperan explorar otras aplicaciones que podrían beneficiarse de los haces de luz estables que pueden generar con esta arquitectura.

Nota: Otros autores que contribuyeron a esta investigación son Ashton Hattori (MIT), Zhaoyi Li (MIT), Milica Notaros (MIT), Reuel Swint (Laboratorio Lincoln), Tal Sneh (MIT), Patrick Callahan (Laboratorio Lincoln), May Kim (Laboratorio Lincoln), Aaron Leu (MIT), Gavin West (MIT), Dave Kharas (Laboratorio Lincoln), Thomas Mahony (Laboratorio Lincoln), Colin Bruzewicz (Laboratorio Lincoln), Cheryl Sorace-Agaskar (Laboratorio Lincoln), Robert McConnell (Laboratorio Lincoln) e Isaac Chuang (MIT).