Dei molti approcci divergenti alla costruzione di un pratico computer quantistico, uno dei percorsi più promettenti conduce alle trappole ioniche. In queste trappole, i singoli ioni sono tenuti fermi e servono come unità di base dei dati, o qubit, del calcolatore. Con l'aiuto dei laser, questi qubit interagiscono tra loro per eseguire operazioni logiche.

Gli esperimenti di laboratorio con un piccolo numero di ioni intrappolati funzionano bene, ma rimane ancora molto lavoro per capire le parti di base di un computer quantistico scalabile a trappola ionica. Che tipo di ioni dovrebbero essere usati? Quali tecnologie saranno in grado di controllare, manipolare, e leggere le informazioni quantistiche memorizzate in quegli ioni?

Per rispondere a queste domande, I ricercatori del MIT Lincoln Laboratory si sono rivolti a una coppia promettente:ioni di calcio (Ca) e stronzio (Sr). In un articolo pubblicato su npj Quantum Information, il team descrive l'utilizzo di questi ioni per eseguire operazioni di logica quantistica e li trova favorevoli per più architetture di calcolo quantistico. Tra i loro vantaggi, questi ioni possono essere manipolati utilizzando la luce visibile e infrarossa, al contrario dell'ultravioletto, che è necessario per molti tipi di ioni utilizzati negli esperimenti. A differenza della luce ultravioletta, esiste già una tecnologia in grado di fornire luce visibile e infrarossa a una vasta gamma di ioni intrappolati.

"Che tipo di architettura di elaborazione delle informazioni quantistiche è fattibile per gli ioni intrappolati? Se si scopre che sarà molto più difficile usare una certa specie di ioni, sarebbe importante sapere in anticipo, prima che tu vada lontano lungo quel sentiero, "dice Giovanni Chiaverini, personale senior del Quantum Information and Integrated Nanosystems Group. "Crediamo che non dovremo inventare un sistema completamente nuovo, e non risolvere un intero nuovo gruppo di problemi, usando queste specie ioniche."

Freddo e calcolatore

Per intrappolare gli ioni, gli scienziati iniziano con una camera a vuoto in acciaio, alloggiare gli elettrodi su un chip raffreddato a quasi 450 gradi sotto zero Fahrenheit. Gli atomi di Ca e Sr fluiscono nella camera. Più laser colpiscono gli elettroni dagli atomi, trasformando gli atomi di Ca e Sr in ioni. Gli elettrodi generano campi elettrici che catturano gli ioni e li trattengono a 50 micrometri sopra la superficie del chip. Altri laser raffreddano gli ioni, mantenendoli nella trappola.

Quindi, gli ioni sono riuniti per formare un cristallo di Ca+/Sr+. Ogni tipo di ione svolge un ruolo unico in questa partnership. Lo ione Sr ospita il qubit per il calcolo. Risolvere un problema, un computer quantistico vuole conoscere il livello di energia, o stato quantistico, dell'elettrone più esterno di uno ione. L'elettrone potrebbe essere nel suo livello di energia più basso o stato fondamentale (denotato), qualche livello di energia superiore o stato eccitato (denotato), o entrambi gli stati contemporaneamente. Questa strana capacità di trovarsi in più stati contemporaneamente è chiamata sovrapposizione, ed è ciò che dà ai computer quantistici il potere di provare molte possibili soluzioni a un problema contemporaneamente.

Ma la sovrapposizione è difficile da mantenere. Una volta osservato un qubit, ad esempio, usando la luce laser per vedere a quale livello di energia si trova il suo elettrone, collassa in uno o zero. Per realizzare un pratico computer quantistico, gli scienziati devono escogitare modi per misurare gli stati solo di un sottoinsieme dei qubit del computer senza disturbare l'intero sistema.

Questa esigenza ci riporta al ruolo dello ione Ca, il qubit aiutante. Con una massa simile allo ione Sr, toglie energia extra allo ione Sr per mantenerlo fresco e aiutarlo a mantenere le sue proprietà quantistiche. Gli impulsi laser quindi spingono i due ioni in entanglement, formando una porta attraverso la quale lo ione Sr può trasferire le sue informazioni quantistiche allo ione Ca.

"Quando due qubit sono intrecciati, i loro stati sono dipendenti l'uno dall'altro. Sono i cosiddetti "spettralmente correlati, '" ha detto Chiaverini. Questa correlazione significa che leggere lo stato di un qubit ti dice lo stato dell'altro. Per leggere questo stato, gli scienziati interrogano lo ione Ca con un laser a una lunghezza d'onda con cui solo l'elettrone dello ione Ca interagirà, lasciando inalterato lo ione Sr. Se l'elettrone è allo stato fondamentale emette fotoni, che vengono raccolti dai rilevatori. Lo ione rimarrà scuro se in uno stato metastabile eccitato.

"La cosa bella dell'usare questo ione aiutante per la lettura è che possiamo usare lunghezze d'onda che non influiscono sugli ioni computazionali attorno ad esso; l'informazione quantistica rimane sana. Quindi, lo ione aiutante svolge un duplice compito; rimuove l'energia termica dallo ione Sr e ha una bassa diafonia quando voglio leggere solo quel qubit, "dice Colin Bruzewicz, che ha costruito il sistema e guidato la sperimentazione.

La fedeltà dell'entanglement Ca+/Sr+ nel loro esperimento era del 94 percento. La fedeltà è la probabilità che il gate tra i due qubit abbia prodotto lo stato quantico previsto, ovvero che l'entanglement abbia funzionato. La fedeltà di questo sistema è sufficientemente elevata da dimostrare la funzionalità di base della logica quantistica, ma non ancora abbastanza alto per un computer quantistico completamente corretto dagli errori. Il team ha anche impigliato ioni in diverse configurazioni, come i due ioni alle estremità di una stringa Sr+/Ca+/Sr+, con simile fedeltà.

Una corrispondenza di lunghezza d'onda

Attualmente, la configurazione della trappola ionica è ampia e coreografa l'uso di 12 laser di colori diversi. Questi laser scorrono attraverso le finestre nella camera criogenica e mirano a colpire gli ioni. Un pratico computer quantistico, in grado di risolvere i problemi meglio di un computer classico, avrà bisogno di una serie di migliaia o addirittura milioni di ioni. In quello scenario, sarebbe praticamente impossibile colpire esattamente gli ioni giusti senza disturbare gli stati quantistici negli ioni vicini. I ricercatori del Lincoln Laboratory hanno lavorato negli ultimi anni su un modo per far passare i laser attraverso "reticoli" nel chip su cui gli ioni si librano. Questo chip fotonico integrato semplifica la configurazione e assicura che il laser giusto colpisca il bersaglio previsto. L'anno scorso, il team ha ottenuto la prima dimostrazione di successo di una bassa perdita, piattaforma fotonica integrata con emissione di luce che spazia dallo spettro visibile a quello infrarosso.

convenientemente, le lunghezze d'onda necessarie per raffreddare gli ioni Ca e Sr, impigliandoli, e leggerli tutti rientrano in questo stesso spettro. Questa sovrapposizione semplifica i requisiti laser del sistema, a differenza di altri accoppiamenti di ioni che richiedono ciascuno lunghezze d'onda molto diverse. "Questi ioni si prestano ad essere usati con la fotonica integrata. Sono una corrispondenza della lunghezza d'onda. Ha senso ingegneristico usarli, " dice Bruzewicz.

Inoltre, molti tipi di ioni intrappolati che gli scienziati quantistici stanno esplorando necessitano di luce ultravioletta per l'eccitazione. Ma la luce ultravioletta può essere difficile da lavorare. Le guide d'onda e altri dispositivi fotonici che portano la luce agli ioni tendono a perdere parte della luce lungo il percorso. Fornire luce ultravioletta a sistemi a ioni intrappolati su larga scala richiederebbe molta più potenza, o l'ingegneria di nuovi materiali che subiscono meno perdite.

"È molto più semplice lavorare con questa luce che con l'ultravioletto, soprattutto quando inizi a mettere insieme molti di questi ioni. Ma questa è la sfida:nessuno sa effettivamente quale tipo di architettura consentirà il calcolo quantistico utile. La giuria è ancora fuori, "Riflette Chiaverini. "In questo caso, stiamo pensando a cosa potrebbe essere più vantaggioso per scalare un sistema. Questi ioni sono molto suscettibili di questo."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.