Un nuevo método de enfriamiento eficiente para computadoras cuánticas basadas en iones atrapados mejora la escalabilidad y estabilidad, acercando su uso práctico. Investigadores del MIT logran enfriar iones a temperaturas significativamente más bajas.
Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de resolver problemas complejos en un tiempo que a los superordenadores clásicos más potentes les llevaría décadas. Sin embargo, para que sean prácticos, deben ser lo suficientemente grandes y estables para realizar operaciones de manera eficiente. Con este objetivo, un equipo de investigadores del MIT y otras instituciones está desarrollando ordenadores cuánticos basados en iones atrapados que utilizan chips fotónicos ultra compactos. Estos sistemas ofrecen una alternativa escalable a los ordenadores cuánticos actuales, que dependen de equipos ópticos voluminosos.
Para minimizar las vibraciones y evitar errores, es crucial enfriar los iones en estos ordenadores cuánticos a temperaturas extremadamente bajas. Hasta ahora, los sistemas de iones atrapados basados en chips fotónicos han estado limitados a métodos de enfriamiento ineficientes y lentos.
Recientemente, un equipo del MIT y el Laboratorio Lincoln del MIT ha implementado un método de enfriamiento mucho más rápido y eficiente energéticamente para los iones atrapados utilizando chips fotónicos. Este enfoque ha logrado enfriar los iones a aproximadamente diez veces por debajo del límite del enfriamiento láser estándar.
La clave de esta técnica radica en un chip fotónico que incorpora antenas diseñadas con precisión para manipular haces de luz intersectantes y fuertemente enfocadas. La demostración inicial realizada por los investigadores representa un paso fundamental hacia arquitecturas escalables basadas en chips que podrían permitir sistemas de computación cuántica con mayor eficiencia y estabilidad.
“Hemos podido diseñar dispositivos integrados fotónicos diversos en polarización, utilizarlos para desarrollar una variedad de sistemas innovadores basados en fotónica integrada y aplicarlos para mostrar un enfriamiento iónico muy eficiente”, comenta Jelena Notaros, profesora asociada de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) en el MIT. “Este trabajo abre la puerta a una variedad de operaciones avanzadas para iones atrapados que antes no eran alcanzables”.
A pesar de la diversidad de sistemas cuánticos existentes, esta investigación se centra específicamente en la computación cuántica con iones atrapados. En este contexto, un ion se forma al separar un electrón de un átomo y se mantiene mediante señales de radiofrecuencia mientras se manipula con señales ópticas.
Los investigadores utilizan láseres para codificar información en el ion atrapado al cambiar su estado, convirtiéndolo así en un bit cuántico o qubit, que son los bloques fundamentales de un ordenador cuántico. Para evitar colisiones entre iones y moléculas gaseosas presentes en el aire, estos iones se mantienen en vacío, creado generalmente por dispositivos conocidos como criostatos.
No obstante, los sistemas tradicionales requieren láseres voluminosos fuera del criostato que disparan diferentes haces luminosos hacia el chip a través de ventanas del criostato. Esto complica la escalabilidad necesaria para manejar grandes cantidades de iones requeridas para una computación cuántica avanzada.
Para facilitar operaciones cuánticas rápidas y precisas, los investigadores emplean campos ópticos destinados a reducir la energía cinética del ion atrapado, logrando enfriarlo casi hasta el cero absoluto. Sin embargo, las técnicas comunes presentan limitaciones debido a su "suelo" elevado de enfriamiento, lo cual deja al ion con energía vibracional significativa después del proceso.
El equipo del MIT ha utilizado un enfoque más complejo conocido como enfriamiento por gradiente de polarización, que implica la interacción precisa entre dos haces luminosos con diferentes polarizaciones. Esta intersección genera un vórtice rotatorio de luz capaz de detener las vibraciones del ion con mayor eficacia.
Aunque este método había sido demostrado anteriormente usando óptica convencional, nunca se había aplicado utilizando fotónica integrada. Los investigadores diseñaron un chip con dos antenas a escala nanométrica que emiten haces luminosos desde el mismo chip donde se atrapan los iones.
Con su diseño final establecido, los investigadores lograron demostrar un enfriamiento iónico casi diez veces inferior al límite estándar del enfriamiento láser conocido como límite Doppler. Su chip alcanzó este límite en aproximadamente 100 microsegundos, varias veces más rápido que otras técnicas existentes.
"La demostración del rendimiento mejorado utilizando óptica integrada en el chip atrapa-iones sienta las bases para futuras integraciones que permitirán nuevos enfoques para la manipulación del estado cuántico", añade John Chiaverini, miembro senior del personal técnico en el Laboratorio Lincoln. “La colaboración entre las distintas instituciones fue clave para lograr este avance”.
De cara al futuro, el equipo planea realizar experimentos adicionales sobre diferentes arquitecturas de chips y demostrar el enfriamiento por gradiente de polarización con múltiples iones. Además, esperan explorar otras aplicaciones que puedan beneficiarse de los haces luminosos estables generados por esta arquitectura innovadora.