I ricercatori dell'ETH sono riusciti a intrappolare gli ioni utilizzando campi elettrici e magnetici statici e a eseguire su di essi operazioni quantistiche. In futuro, tali trappole potrebbero essere utilizzate per realizzare computer quantistici con molti più bit quantici di quanto sia stato possibile finora.
Gli stati energetici degli elettroni in un atomo seguono le leggi della meccanica quantistica:non sono distribuiti in modo continuo ma limitati a determinati valori ben definiti:questo è anche chiamato quantizzazione. Tali stati quantizzati sono la base per i bit quantistici (qubit), con i quali gli scienziati vogliono costruire computer quantistici estremamente potenti. A tal fine, gli atomi devono essere raffreddati e intrappolati in un unico posto.
Un forte intrappolamento può essere ottenuto ionizzando gli atomi, cioè dando loro una carica elettrica. Tuttavia, una legge fondamentale dell’elettromagnetismo afferma che i campi elettrici costanti nel tempo non possono intrappolare una singola particella carica. Aggiungendo un campo elettromagnetico oscillante, invece, si ottiene una trappola ionica stabile, detta anche trappola di Paul.
In questo modo negli ultimi anni è stato possibile costruire computer quantistici con trappole ioniche contenenti circa 30 qubit. Computer quantistici molto più grandi, tuttavia, non possono essere realizzati direttamente con questa tecnica. I campi oscillanti rendono difficile combinare diverse trappole di questo tipo su un singolo chip e il loro utilizzo riscalda la trappola, un problema più significativo man mano che i sistemi diventano più grandi. Nel frattempo il trasporto degli ioni è limitato al passaggio lungo sezioni lineari collegate da croci.
Trappola ionica con campo magnetico
Un team di ricercatori dell’ETH di Zurigo guidato da Jonathan Home ha ora dimostrato che le trappole ioniche adatte all’uso nei computer quantistici possono essere costruite anche utilizzando campi magnetici statici anziché campi oscillanti. In quelle trappole statiche con campo magnetico aggiuntivo, chiamate trappole di Penning, venivano realizzati sia il trasporto arbitrario che le operazioni necessarie per i futuri supercomputer. I ricercatori hanno recentemente pubblicato i loro risultati sulla rivista scientifica Nature .
"Tradizionalmente, le trappole di Penning vengono utilizzate quando si desidera intrappolare moltissimi ioni per esperimenti di precisione, ma senza doverli controllare individualmente", afferma Ph.D. studente Shreyans Jain. "Nei computer quantistici più piccoli basati sugli ioni, invece, vengono utilizzate le trappole di Paul."
L'idea dei ricercatori dell'ETH di costruire i futuri computer quantistici utilizzando anche le trappole di Penning è stata inizialmente accolta con scetticismo dai colleghi per diversi motivi. Per inserire trappole sono necessari magneti estremamente potenti, che sono molto costosi e piuttosto ingombranti.
Inoltre, tutte le precedenti realizzazioni delle trappole di Penning erano state molto simmetriche, qualcosa che le strutture su scala di chip utilizzate all’ETH violano. Mettere l’esperimento all’interno di un grande magnete rende difficile guidare i raggi laser necessari per controllare i qubit nella trappola, mentre forti campi magnetici aumentano la spaziatura tra gli stati energetici dei qubit. Ciò, a sua volta, rende i sistemi laser di controllo molto più complessi:invece di un semplice laser a diodi, sono necessari diversi laser ad aggancio di fase.
Trasporto in direzioni arbitrarie
Home e i suoi collaboratori non si lasciarono scoraggiare da queste difficoltà e costruirono una trappola Penning basata su un magnete superconduttore e un chip microfabbricato con diversi elettrodi, prodotta presso la Physikalisch-Technische Bundesanstalt di Braunschweig. Il magnete utilizzato eroga un campo di 3 Tesla, quasi 100.000 volte più forte del campo magnetico terrestre. Utilizzando un sistema di specchi raffreddati criogenicamente, i ricercatori di Zurigo sono riusciti a convogliare la luce laser necessaria attraverso il magnete verso gli ioni.
Gli sforzi hanno dato i loro frutti:un singolo ione intrappolato, che può rimanere nella trappola per diversi giorni, ora può essere spostato arbitrariamente sul chip, collegando i punti "in linea d'aria" controllando i diversi elettrodi:questo prima non era possibile con il vecchio approccio basato su campi oscillanti. Poiché per l'intrappolamento non sono necessari campi oscillanti, molte di queste trappole possono essere inserite in un singolo chip.
"Una volta caricati possiamo addirittura isolare completamente gli elettrodi dal mondo esterno e studiare così quanto fortemente gli ioni vengono disturbati da influssi esterni", spiega Tobias Sägesser, che ha partecipato all'esperimento come dottorato. studente.
I ricercatori hanno anche dimostrato che anche gli stati energetici dei qubit dello ione intrappolato potrebbero essere controllati mantenendo le sovrapposizioni quantomeccaniche. Il controllo coerente ha funzionato sia con gli stati elettronici (interni) dello ione che con gli stati di oscillazione quantizzata (esterni), nonché per l'accoppiamento degli stati quantistici interni ed esterni. Quest'ultimo è un prerequisito per creare stati entangled, importanti per i computer quantistici.
Come passo successivo, Home vuole intrappolare due ioni in trappole di Penning vicine sullo stesso chip e dimostrare così che è possibile eseguire anche operazioni quantistiche con diversi qubit. Questa sarebbe la prova definitiva che i computer quantistici possono essere realizzati utilizzando gli ioni nelle trappole di Penning. Il professore ha in mente anche altre applicazioni. Ad esempio, poiché gli ioni nella nuova trappola possono essere spostati in modo flessibile, possono essere utilizzati per sondare campi elettrici, magnetici o microonde vicino alle superfici. Ciò apre la possibilità di utilizzare questi sistemi come sensori atomici delle proprietà superficiali.
Ulteriori informazioni: Shreyans Jain et al, Micro-trappola di Penning per l'informatica quantistica, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07111-x
Fornito da ETH Zurigo
