I computer quantistici sono dispositivi in ​​gran parte ipotetici che potrebbero eseguire alcuni calcoli molto più rapidamente dei computer convenzionali. Invece dei bit del calcolo classico, che può rappresentare 0 o 1, i computer quantistici sono costituiti da bit quantistici, o qubit, quale può, in un certo senso, rappresentano 0 e 1 contemporaneamente.

Sebbene in laboratorio siano stati dimostrati sistemi quantistici con ben 12 qubit, costruire computer quantistici abbastanza complessi da eseguire calcoli utili richiederà la miniaturizzazione della tecnologia qubit, proprio come la miniaturizzazione dei transistor ha permesso ai computer moderni.

Gli ioni intrappolati sono probabilmente la tecnologia qubit più studiata, ma storicamente hanno richiesto un apparato hardware ampio e complesso. in oggi Nanotecnologia della natura , ricercatori del MIT e del MIT Lincoln Laboratory riportano un importante passo avanti verso i computer quantistici pratici, con un articolo che descrive un prototipo di chip in grado di intrappolare ioni in un campo elettrico e, con ottica integrata, luce laser diretta verso ciascuno di essi.

"Se guardi all'assemblea tradizionale, è un barile che ha il vuoto dentro, e dentro c'è questa gabbia che intrappola gli ioni. Poi c'è praticamente un intero laboratorio di ottiche esterne che guidano i raggi laser all'assemblaggio degli ioni, "dice Rajeev Ram, un professore di ingegneria elettrica del MIT e uno degli autori senior del documento. "La nostra visione è quella di prendere quel laboratorio esterno e miniaturizzare gran parte di esso su un chip".

ingabbiato

Il gruppo di informazioni quantistiche e nanosistemi integrati presso il Lincoln Laboratory è stato uno dei numerosi gruppi di ricerca già al lavoro per sviluppare sistemi più semplici, trappole ioniche più piccole note come trappole di superficie. Una trappola ionica standard sembra una minuscola gabbia, le cui barre sono elettrodi che producono un campo elettrico. Gli ioni si allineano al centro della gabbia, parallela alle sbarre. Una trappola di superficie, al contrario, è un chip con elettrodi incorporati nella sua superficie. Gli ioni si librano a 50 micrometri sopra gli elettrodi.

Le trappole a gabbia hanno dimensioni intrinsecamente limitate, ma le trappole di superficie potrebbero, in linea di principio, essere prorogato a tempo indeterminato. Con la tecnologia attuale, dovrebbero ancora essere tenuti in una camera a vuoto, ma permetterebbero di stipare molti più qubit all'interno.

"Riteniamo che le trappole di superficie siano una tecnologia chiave per consentire a questi sistemi di scalare fino al numero molto elevato di ioni che sarà necessario per il calcolo quantistico su larga scala, "dice Jeremy Sage, che insieme a John Chiaverini guida il progetto di elaborazione quantistica delle informazioni sugli ioni intrappolati del Lincoln Laboratory. "Queste trappole a gabbia funzionano molto bene, ma funzionano davvero solo per forse da 10 a 20 ioni, e praticamente hanno il massimo là fuori."

Eseguendo un calcolo quantistico, però, richiede il controllo preciso dello stato energetico di ogni qubit in modo indipendente, e i qubit a ioni intrappolati sono controllati con raggi laser. In una trappola di superficie, gli ioni sono solo a circa 5 micrometri di distanza. Colpire un singolo ione con un laser esterno, senza intaccare i suoi vicini, è incredibilmente difficile; solo pochi gruppi l'avevano tentato in precedenza, e le loro tecniche non erano pratiche per i sistemi su larga scala.

Salire a bordo

È qui che entra in gioco il gruppo di Ram. Ram e Karan Mehta, uno studente laureato del MIT in ingegneria elettrica e primo autore del nuovo articolo, progettato e costruito una suite di componenti ottici su chip in grado di incanalare la luce laser verso i singoli ioni. Saggio, Chiaverini, e i loro colleghi del Lincoln Lab, Colin Bruzewicz e Robert McConnell, hanno riorganizzato la loro trappola di superficie per accogliere l'ottica integrata senza comprometterne le prestazioni. Insieme, entrambi i gruppi hanno progettato ed eseguito gli esperimenti per testare il nuovo sistema.

"Tipicamente, per trappole per elettrodi di superficie, il raggio laser proviene da un tavolo ottico ed entra in questo sistema, quindi c'è sempre questa preoccupazione per il raggio che vibra o si muove, " dice Ram. "Con l'integrazione fotonica, non ti interessa la stabilità del puntamento del raggio, perché è tutto sullo stesso chip su cui si trovano gli elettrodi. Quindi ora tutto è registrato l'uno contro l'altro, ed è stabile."

Il nuovo chip dei ricercatori è costruito su un substrato di quarzo. Sopra il quarzo c'è una rete di "guide d'onda" di nitruro di silicio, " che indirizzano la luce laser attraverso il chip. Sopra le guide d'onda c'è uno strato di vetro, e sopra ci sono gli elettrodi di niobio. Sotto i fori degli elettrodi, le guide d'onda si rompono in una serie di creste sequenziali, un "reticolo di diffrazione" progettato con precisione per dirigere la luce attraverso i fori e concentrarla in un raggio abbastanza stretto da colpire un singolo ione, 50 micrometri sopra la superficie del chip.

Prospettive

Con il chip prototipo, i ricercatori stavano valutando le prestazioni dei reticoli di diffrazione e delle trappole ioniche, ma non c'era alcun meccanismo per variare la quantità di luce consegnata a ogni ione. Nei lavori in corso, i ricercatori stanno studiando l'aggiunta di modulatori di luce ai reticoli di diffrazione, in modo che diversi qubit possano ricevere simultaneamente luce di diversa, intensità variabili nel tempo. Ciò renderebbe la programmazione dei qubit più efficiente, che è vitale in un pratico sistema di informazione quantistica, poiché il numero di operazioni quantistiche che il sistema può eseguire è limitato dal "tempo di coerenza" dei qubit.