Las fibras ópticas acoplan la luz láser directamente en el chip de trampa de iones. Cuando está en uso, el chip se enfría a temperaturas criogénicas en una cámara de vacío y las guías de onda del chip envían la luz a un ión atrapado justo encima de la superficie del chip para realizar el cálculo cuántico. Crédito: Imagen cortesía de los investigadores.
La fibra óptica incorporada en un chip puede entregar toda la luz láser necesaria para controlar los iones para computación cuántica y sentir.
Entra en un laboratorio cuántico donde los científicos atrapan iones y encontrarás mesas de trabajo llenas de espejos y lentes, todos los láseres de enfoque para golpear un ión «atrapado» en su lugar sobre un chip. Mediante el uso de láseres para controlar los iones, los científicos han aprendido a aprovechar los iones como bits cuánticos o qubits, la unidad básica de datos en una computadora cuántica. Pero esta configuración de láser está frenando la investigación, lo que dificulta experimentar con más de unos pocos iones y sacar estos sistemas del laboratorio para un uso real.
Ahora, MIT Los investigadores del Laboratorio Lincoln han desarrollado una forma compacta de enviar luz láser a los iones atrapados. En un artículo reciente publicado en Naturaleza, los investigadores describen un bloque de fibra óptica que se conecta al chip de trampa de iones, acoplando la luz a las guías de ondas ópticas fabricadas en el propio chip. A través de estas guías de ondas, se pueden enrutar múltiples longitudes de onda de luz a través del chip y liberarlas para golpear los iones sobre él.
En el futuro, el equipo tendrá como objetivo construir matrices de trampas de iones, como se muestra en esta ilustración, para explorar la viabilidad de desarrollar computadoras cuánticas prácticas basadas en esta tecnología. Crédito: Imagen cortesía de los investigadores.
“Está claro para muchas personas en el campo que el enfoque convencional, que utiliza ópticas de espacio libre como espejos y lentes, solo llegará hasta cierto punto”, dice Jeremy Sage, autor del artículo y personal senior de Información cuántica del Laboratorio Lincoln y Grupo de Nanosistemas Integrados. “Si, en cambio, la luz se coloca en el chip, se puede dirigir a los muchos lugares donde debe estar. La entrega integrada de muchas longitudes de onda puede conducir a una plataforma muy escalable y portátil. Estamos demostrando por primera vez que se puede hacer «.
Varios colores
Computar con iones atrapados requiere controlar con precisión cada ión de forma independiente. La óptica de espacio libre ha funcionado bien al controlar algunos iones en una cadena unidimensional corta. Pero golpear un solo ion entre un cúmulo más grande o bidimensional, sin golpear a sus vecinos, es extremadamente difícil. Al imaginar una computadora cuántica práctica que requiere miles de iones, esta tarea de control láser parece poco práctica.
Ese problema inminente llevó a los investigadores a encontrar otra forma. En 2016, los investigadores del Laboratorio Lincoln y del MIT demostraron un nuevo chip con óptica incorporada. Enfocaron un láser rojo en el chip, donde las guías de onda del chip dirigían la luz a un acoplador de rejilla, una especie de tira retumbante para detener la luz y dirigirla hacia el ion.
La luz roja es crucial para realizar una operación fundamental llamada puerta cuántica, que el equipo realizó en esa primera demostración. Pero se necesitan hasta seis láseres de diferentes colores para hacer todo lo necesario para la computación cuántica: preparar el ion, enfriarlo, leer su estado de energía y realizar puertas cuánticas. Con este último chip, el equipo ha extendido su prueba de principio al resto de estas longitudes de onda requeridas, desde el violeta hasta el infrarrojo cercano.
Esta animación de perfiles de rayo láser medidos muestra la luz láser en cuatro longitudes de onda emitida por «acopladores de rejilla» en el chip de trampa de iones. La superficie amarilla es la capa de electrodo de metal en la parte superior del chip que atrapa los iones sobre él. Crédito: Imagen cortesía de los investigadores.
«Con estas longitudes de onda, pudimos realizar el conjunto fundamental de operaciones que necesita para poder controlar los iones atrapados», dice John Chiaverini, también autor del artículo. La única operación que no realizaron, una puerta de dos qubit, fue demostrada por un equipo de ETH Zürich mediante el uso de un chip similar al trabajo de 2016, y se describe en un artículo en el mismo número de Nature. “Este trabajo, combinado con osos, muestra que tiene todo lo que necesita para comenzar a construir matrices de iones atrapados más grandes”, agrega Chiaverini.
Fibra óptica
Para dar el salto de una a varias longitudes de onda, el equipo diseñó un método para unir un bloque de fibra óptica directamente al costado del chip. El bloque consta de cuatro fibras ópticas, cada una específica para un cierto rango de longitudes de onda. Estas fibras se alinean con una guía de ondas correspondiente modelada directamente en el chip.
“Alinear la matriz de bloques de fibra con las guías de onda del chip y aplicar el epoxi fue como realizar una cirugía. Fue un proceso muy delicado. Teníamos alrededor de media micra de tolerancia y necesitábamos sobrevivir al enfriamiento a 4 kelvin ”, dice Robert Niffenegger, quien dirigió los experimentos y es el primer autor del artículo.
Encima de las guías de ondas hay una capa de vidrio. En la parte superior del vidrio hay electrodos de metal, que producen campos eléctricos que mantienen el ión en su lugar; Se cortan agujeros en el metal sobre los acopladores de rejilla donde se libera la luz. Todo el dispositivo se fabricó en el Laboratorio de Microelectrónica del Laboratorio Lincoln.
Diseñar guías de ondas que pudieran entregar la luz a los iones con poca pérdida, evitando la absorción o la dispersión, fue un desafío, ya que la pérdida tiende a aumentar con longitudes de onda más azules. “Fue un proceso de desarrollar materiales, modelar las guías de ondas, probarlas, medir el rendimiento y volver a intentarlo. También teníamos que asegurarnos de que los materiales de las guías de ondas funcionaran no solo con las longitudes de onda de luz necesarias, sino también de que no interfirieran con los electrodos metálicos que atrapan el ión ”, dice Sage.
Escalable y portátil
El equipo ahora espera con ansias lo que pueden hacer con este chip totalmente integrado con luz. Por un lado, «hacer más», dice Niffenegger. “Colocar estos chips en una matriz podría unir muchos más iones, cada uno capaz de ser controlado con precisión, abriendo la puerta a computadoras cuánticas más poderosas”.
Daniel Slichter, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología que no participó en esta investigación, dice: “Esta tecnología fácilmente escalable permitirá sistemas complejos con muchos rayos láser para operaciones paralelas, todos alineados automáticamente y robustos a vibraciones y condiciones ambientales y, en mi opinión, será crucial para realizar procesadores cuánticos de iones atrapados con miles de qubits «.
Una ventaja de este chip integrado con láser es que es inherentemente resistente a las vibraciones. Con los láseres externos, cualquier vibración del láser haría que perdiera el ion, al igual que cualquier vibración en el chip. Ahora que los rayos láser y el chip están acoplados, los efectos de las vibraciones se anulan efectivamente.
Esta estabilidad es importante para que los iones mantengan la «coherencia» o para que funcionen como qubits el tiempo suficiente para realizar cálculos con ellos. También es importante si los sensores de iones atrapados se convertirán en portátiles. Los relojes atómicos, por ejemplo, que se basan en iones atrapados, podrían mantener la hora con mucha más precisión que el estándar actual, y podrían usarse para mejorar la exactitud de GPS, que se basa en la sincronización de relojes atómicos transportados por satélites.
“Vemos este trabajo como un ejemplo de unir ciencia e ingeniería, que ofrece una verdadera ventaja tanto para la academia como para la industria”, dice Sage. Cerrar esta brecha es el objetivo del MIT Center for Quantum Engineering, donde Sage es investigador principal. “Necesitamos que la tecnología cuántica sea robusta, entregable y fácil de usar, para que la utilicen personas que no son doctorados en física cuántica”, dice Sage.
Al mismo tiempo, el equipo espera que este dispositivo pueda ayudar a impulsar la investigación académica. “Queremos que otros institutos de investigación usen esta plataforma para que puedan enfocarse en otros desafíos, como programar y ejecutar algoritmos con iones atrapados en esta plataforma, por ejemplo. Vemos que abre la puerta a una mayor exploración de la física cuántica ”, dice Chiaverini.
Referencia: «Control integrado de múltiples longitudes de onda de un qubit de iones» por RJ Niffenegger, J. Stuart, C. Sorace-Agaskar, D. Kharas, S. Bramhavar, CD Bruzewicz, W. Loh, RT Maxson, R. McConnell, D . Reens, GN West, JM Sage y J. Chiaverini, 21 de octubre de 2020, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2811-x