Entra in un laboratorio quantistico dove gli scienziati intrappolano ioni, e troverai banchi pieni di specchi e lenti, tutti i laser di messa a fuoco colpiscono uno ione "intrappolato" in posizione sopra un chip. Usando i laser per controllare gli ioni, gli scienziati hanno imparato a sfruttare gli ioni come bit quantistici, o qubit, l'unità di base dei dati in un computer quantistico. Ma questa configurazione laser ora sta ostacolando la ricerca, rendendo difficile sperimentare con più di pochi ioni e portare questi sistemi fuori dal laboratorio per un uso reale.

Ora, I ricercatori del Lincoln Laboratory hanno sviluppato un modo compatto per fornire luce laser agli ioni intrappolati. In un articolo pubblicato su Natura , i ricercatori descrivono un blocco in fibra ottica che si inserisce nel chip a trappola ionica, accoppiare la luce a guide d'onda ottiche fabbricate nel chip stesso. Attraverso queste guide d'onda, più lunghezze d'onda della luce possono essere instradate attraverso il chip e rilasciate per colpire gli ioni sopra di esso.

"È chiaro a molte persone del settore che l'approccio convenzionale, utilizzando ottiche a spazio libero come specchi e lenti, andrà solo così lontano, "dice Jeremy Sage, un autore dell'articolo e uno staff senior del Quantum Information and Integrated Nanosystems Group del Lincoln Laboratory. "Se invece la luce viene portata sul chip, può essere diretto intorno alle molte posizioni in cui ha bisogno di essere. La consegna integrata di molte lunghezze d'onda può portare a una piattaforma molto scalabile e portatile. Dimostriamo per la prima volta che si può fare".

Più colori

Il calcolo con ioni intrappolati richiede il controllo preciso di ogni ione in modo indipendente. L'ottica dello spazio libero ha funzionato bene quando si controllano alcuni ioni in una corta catena unidimensionale. Ma colpire un singolo ione in un ammasso più grande o bidimensionale, senza colpire i suoi vicini, è estremamente difficile. Quando si immagina un pratico computer quantistico che richiede migliaia di ioni, questo compito di controllo del laser sembra poco pratico.

Questo problema incombente ha portato i ricercatori a trovare un altro modo. Nel 2016, I ricercatori del Lincoln Laboratory e del MIT hanno dimostrato un nuovo chip con ottica integrata. Hanno puntato un laser rosso sul chip, dove le guide d'onda sul chip indirizzavano la luce verso un accoppiatore a reticolo, una specie di striscia rumorosa per fermare la luce e dirigerla verso lo ione.

La luce rossa è cruciale per fare un'operazione fondamentale chiamata porta quantistica, che la squadra ha eseguito in quella prima dimostrazione. Ma sono necessari fino a sei laser di colore diverso per fare tutto il necessario per il calcolo quantistico:preparare lo ione, raffreddalo, leggere il suo stato energetico, ed eseguire porte quantistiche. Con questo ultimo chip, il team ha esteso la propria prova di principio al resto di queste lunghezze d'onda richieste, dal viola al vicino infrarosso.

"Con queste lunghezze d'onda, siamo stati in grado di eseguire la serie fondamentale di operazioni necessarie per controllare gli ioni intrappolati, "dice Giovanni Chiaverini, anche un autore sulla carta. L'unica operazione che non hanno eseguito, una porta a due qubit, è stato dimostrato da un team dell'ETH di Zurigo utilizzando un chip simile al lavoro del 2016, ed è descritto in un documento nello stesso Natura problema. "Questo lavoro abbinato al nostro mostra che hai tutte le cose di cui hai bisogno per iniziare a costruire array di ioni intrappolati più grandi, " aggiunge Chiaverini.

Fibra ottica

Per fare il salto da una a più lunghezze d'onda, il team ha progettato un metodo per legare un blocco in fibra ottica direttamente al lato del chip. Il blocco è costituito da quattro fibre ottiche, ciascuno specifico per un certo intervallo di lunghezze d'onda. Queste fibre si allineano con una corrispondente guida d'onda modellata direttamente sul chip.

"Allineare l'array di blocchi di fibre alle guide d'onda sul chip e applicare la resina epossidica è stato come eseguire un intervento chirurgico. È stato un processo molto delicato. Avevamo circa mezzo micron di tolleranza e doveva sopravvivere a un raffreddamento a 4 Kelvin, "dice Robert Niffenegger, che ha condotto gli esperimenti ed è il primo autore del documento.

Sopra le guide d'onda si trova uno strato di vetro. Sulla parte superiore del vetro ci sono elettrodi di metallo, che producono campi elettrici che trattengono lo ione in posizione; i fori sono tagliati nel metallo sopra gli accoppiatori della griglia dove viene rilasciata la luce. L'intero dispositivo è stato fabbricato nel laboratorio di microelettronica del Lincoln Laboratory.

Progettare guide d'onda in grado di fornire la luce agli ioni con bassa perdita, evitando l'assorbimento o la dispersione, è stata una sfida, poiché la perdita tende ad aumentare con lunghezze d'onda più blu. "Era un processo di sviluppo dei materiali, modellando le guide d'onda, testandoli, misurare le prestazioni, e riprovare. Dovevamo anche assicurarci che i materiali delle guide d'onda lavorassero non solo con le lunghezze d'onda della luce necessarie, ma anche che non interferivano con gli elettrodi metallici che intrappolano lo ione, " dice il saggio.

Scalabile e portatile

Il team non vede l'ora di scoprire cosa possono fare con questo chip completamente integrato nella luce. Per uno, "fare più, " dice Niffenegger. " Affiancare questi chip in un array potrebbe riunire molti più ioni, ciascuno in grado di essere controllato con precisione, aprendo la porta a computer quantistici più potenti".

Daniel Slitter, un fisico del National Institute of Standards and Technology che non era coinvolto in questa ricerca, dice, "Questa tecnologia facilmente scalabile consentirà sistemi complessi con molti raggi laser per operazioni parallele, il tutto automaticamente allineato e robusto alle vibrazioni e alle condizioni ambientali, e sarà a mio avviso cruciale per realizzare processori quantistici di ioni intrappolati con migliaia di qubit".

Un vantaggio di questo chip integrato al laser è che è intrinsecamente resistente alle vibrazioni. Con laser esterni, qualsiasi vibrazione al laser farebbe perdere lo ione, così come qualsiasi vibrazione al chip. Ora che i raggi laser e il chip sono accoppiati, gli effetti delle vibrazioni sono di fatto annullati.

Questa stabilità è importante per gli ioni per sostenere "coerenza, " o per funzionare come qubit abbastanza a lungo da calcolare con loro. È anche importante che i sensori a ioni intrappolati diventino portatili. Orologi atomici basati su ioni intrappolati, Per esempio, potrebbe tenere il tempo in modo molto più preciso rispetto allo standard odierno, e potrebbe essere utilizzato per migliorare la precisione del GPS, che si basa sulla sincronizzazione degli orologi atomici trasportati sui satelliti.

"Consideriamo questo lavoro come un esempio di collegamento tra scienza e ingegneria, che offre un vero vantaggio sia al mondo accademico che all'industria, " Dice Sage. Colmare questa lacuna è l'obiettivo del MIT Center for Quantum Engineering, dove Sage è un investigatore principale. "Abbiamo bisogno che la tecnologia quantistica sia robusta, consegnabile, e facile da usare, per le persone che non sono dottorandi in fisica quantistica, " dice il saggio.

Contemporaneamente, il team spera che questo dispositivo possa aiutare a spingere la ricerca accademica. "Vogliamo che altri istituti di ricerca utilizzino questa piattaforma in modo che possano concentrarsi su altre sfide, come la programmazione e l'esecuzione di algoritmi con ioni intrappolati su questa piattaforma, Per esempio. Lo vediamo aprire la porta a ulteriori esplorazioni della fisica quantistica, "dice Chiaverini.