I ricercatori dell'ETH hanno dimostrato una nuova tecnica per eseguire operazioni quantistiche sensibili sugli atomi. In questa tecnica, la luce laser di controllo viene fornita direttamente all'interno di un chip. Ciò dovrebbe consentire di costruire computer quantistici su larga scala basati su atomi intrappolati.

Colpire un punto specifico su uno schermo con un puntatore laser durante una presentazione non è facile:anche il più piccolo nervosismo della mano diventa un grande scarabocchio a distanza. Ora immagina di doverlo fare con più puntatori laser contemporaneamente. Questo è esattamente il problema affrontato dai fisici che cercano di costruire computer quantistici utilizzando singoli atomi intrappolati. Essi, pure, necessità di puntare raggi laser - centinaia o addirittura migliaia nello stesso apparato - precisamente su diversi metri in modo da colpire regioni di appena pochi micrometri che contengono gli atomi. Qualsiasi vibrazione indesiderata disturberà gravemente il funzionamento del computer quantistico.

All'ETH di Zurigo, Jonathan Home e i suoi collaboratori presso l'Istituto per l'elettronica quantistica hanno ora dimostrato un nuovo metodo che consente loro di fornire più raggi laser con precisione nelle posizioni giuste all'interno di un chip in modo così stabile che anche le operazioni quantistiche più delicate sul atomi possono essere eseguiti.

Puntando al computer quantistico

Costruire computer quantistici è stato un obiettivo ambizioso dei fisici per più di trent'anni. Atomi caricati elettricamente, ioni, intrappolati in campi elettrici si sono rivelati candidati ideali per i bit quantistici o qubit, che i computer quantistici usano per i loro calcoli. Finora, mini computer contenenti una dozzina di qubit potrebbero essere realizzati in questo modo. "Però, se vuoi costruire computer quantistici con diverse migliaia di qubit, che sarà probabilmente necessario per applicazioni praticamente rilevanti, le attuali implementazioni presentano alcuni ostacoli importanti, "dice Karan Mehta, un postdoc nel laboratorio di Home e primo autore dello studio recentemente pubblicato sulla rivista scientifica Natura . Essenzialmente, il problema è come inviare raggi laser a diversi metri dal laser in un apparato sottovuoto e alla fine colpire il bersaglio all'interno di un criostato, in cui le trappole ioniche vengono raffreddate fino a pochi gradi sopra lo zero assoluto per ridurre al minimo i disturbi termici.

Configurazione ottica come ostacolo

"Già negli attuali sistemi di piccola scala, le ottiche convenzionali sono una fonte significativa di rumore ed errori, e ciò diventa molto più difficile da gestire quando si cerca di aumentare le dimensioni", Mehta spiega. Più qubit si aggiungono, più complessa diventa l'ottica per i raggi laser necessaria per il controllo dei qubit. "È qui che entra in gioco il nostro approccio", aggiunge Chi Zhang, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di Home:"Integrando minuscole guide d'onda nei chip che contengono gli elettrodi per intrappolare gli ioni, possiamo inviare la luce direttamente a quegli ioni. In questo modo, le vibrazioni del criostato o di altre parti dell'apparato producono molto meno disturbo".

I ricercatori hanno commissionato a una fonderia commerciale la produzione di chip che contengono sia elettrodi d'oro per le trappole ioniche che, in uno strato più profondo, guide d'onda per luce laser. Ad un'estremità delle patatine, le fibre ottiche alimentano la luce nelle guide d'onda, che hanno uno spessore di soli 100 nanometri, formare efficacemente il cablaggio ottico all'interno dei chip. Ognuna di queste guide d'onda porta a un punto specifico sul chip, dove la luce viene eventualmente deviata verso gli ioni intrappolati sulla superficie.

Lavori di qualche anno fa (di alcuni autori del presente studio, insieme a ricercatori del MIT e del MIT Lincoln Laboratory) avevano dimostrato che questo approccio funziona in linea di principio. Ora il gruppo ETH ha sviluppato e perfezionato la tecnica al punto in cui è possibile utilizzarla anche per implementare porte logiche quantistiche a basso errore tra diversi atomi, un prerequisito importante per la costruzione di computer quantistici.

Porte logiche ad alta fedeltà

In un chip di computer convenzionale, le porte logiche vengono utilizzate per eseguire operazioni logiche come AND o NOR. Per costruire un computer quantistico, bisogna assicurarsi di poter eseguire tali operazioni logiche sui qubit. Il problema è che le porte logiche che agiscono su due o più qubit sono particolarmente sensibili ai disturbi. Questo perché creano stati di meccanica quantistica fragili in cui due ioni sono simultaneamente in una sovrapposizione, noti anche come stati entangled.

In una tale sovrapposizione, una misurazione di uno ione influenza il risultato di una misurazione sull'altro ione, senza che i due siano in contatto diretto. Come funziona bene la produzione di quegli stati di sovrapposizione, e quindi quanto sono buone le porte logiche, si esprime con la cosiddetta fedeltà. "Con il nuovo chip siamo stati in grado di realizzare porte logiche a due qubit e usarle per produrre stati entangled con una fedeltà che fino ad ora poteva essere raggiunta solo nei migliori esperimenti convenzionali, "dice Maciej Malinowski, che è stato anche coinvolto nell'esperimento come dottore di ricerca. alunno.

I ricercatori hanno quindi dimostrato che il loro approccio è interessante per i futuri computer quantistici a trappola ionica in quanto non è solo estremamente stabile, ma anche scalabile. Attualmente stanno lavorando con diversi chip che hanno lo scopo di controllare fino a dieci qubit alla volta. Per di più, stanno perseguendo nuovi progetti per operazioni quantistiche veloci e precise rese possibili dal cablaggio ottico.