I ricercatori hanno scoperto il modo più preciso per controllare i singoli ioni utilizzando la tecnologia di ingegneria ottica olografica.

La nuova tecnologia utilizza il primo dispositivo di ingegneria ottica olografica noto per controllare i qubit di ioni intrappolati. Questa tecnologia promette di aiutare a creare controlli più precisi dei qubit che aiuteranno lo sviluppo di hardware specifico dell'industria quantistica per promuovere nuovi esperimenti di simulazione quantistica e processi potenzialmente quantistici di correzione degli errori per i qubit di ioni intrappolati.

"Il nostro algoritmo calcola il profilo dell'ologramma e rimuove qualsiasi aberrazione dalla luce, che ci permette di sviluppare una tecnica altamente precisa per la programmazione degli ioni, " dice l'autore principale Chung-You Shih, un dottorato di ricerca studente presso l'Institute for Quantum Computing (IQC) dell'Università di Waterloo.

Kazi Rajibul Islam, un membro della facoltà all'IQC e in fisica e astronomia a Waterloo è il ricercatore principale di questo lavoro. Il suo team ha intrappolato gli ioni utilizzati nella simulazione quantistica nel Laboratorio per le informazioni quantistiche dal 2019, ma aveva bisogno di un modo preciso per controllarli.

Un laser puntato su uno ione può "parlare" con esso e cambiare lo stato quantico dello ione, formando gli elementi costitutivi dell'elaborazione dell'informazione quantistica. Però, i raggi laser hanno aberrazioni e distorsioni che possono causare un disordine, ampio punto di messa a fuoco, il che è un problema perché la distanza tra gli ioni intrappolati è di pochi micrometri, molto più stretta di un capello umano.

I profili del raggio laser che il team voleva stimolare gli ioni avrebbero dovuto essere progettati con precisione. Per raggiungere questo obiettivo hanno preso un laser, soffiava la sua luce fino a 1 cm di larghezza e poi la inviava attraverso un dispositivo digitale a microspecchi (DMD), che è programmabile e funziona come un proiettore cinematografico. Il chip DMD ha due milioni di specchi in scala di micron che sono controllati individualmente utilizzando la tensione elettrica. Utilizzando un algoritmo sviluppato da Shih, il chip DMD è programmato per visualizzare un modello di ologramma. La luce prodotta dall'ologramma DMD può avere la sua intensità e fase esattamente controllate.

Nella prova, il team è stato in grado di manipolare ogni ione con la luce olografica. La ricerca precedente ha lottato con il cross talk, il che significa che se un laser si concentra su uno ione, la luce si disperde sugli ioni circostanti. Con questo dispositivo, il team caratterizza con successo le aberrazioni utilizzando uno ione come sensore. Possono quindi annullare le aberrazioni regolando l'ologramma e ottenere il crosstalk più basso al mondo.

"C'è una sfida nell'usare la tecnologia DMD disponibile in commercio, " dice Shih. "Il suo controller è fatto per proiettori e litografia UV, non esperimenti quantistici. Il nostro prossimo passo è sviluppare il nostro hardware per esperimenti di calcolo quantistico".

Lo studio, Indirizzamento ottico olografico riprogrammabile e ad alta precisione degli ioni intrappolati per un controllo quantistico scalabile, dettaglia il lavoro dei ricercatori pubblicato sulla rivista npj Informazioni quantistiche .