Científicos de la Facultad de Ingeniería Riccio de la Universidad de Massachusetts Amherst y de la Universidad de California en Santa Bárbara han demostrado los componentes clave de láser y trampa de iones necesarios para reducir significativamente el tamaño de las computadoras cuánticas. Este logro se asemeja a la miniaturización de los microprocesadores integrados en las décadas de 1970, 80 y 90, que permitió la transición de computadoras que ocupaban una habitación completa a los smartphones ultrafinos de hoy.
La tecnología actual de computación cuántica de vanguardia es demasiado voluminosa y compleja para ser escalable, y demasiado sensible y voluminosa para ser portátil. Los componentes más grandes y sensibles de estos sistemas cuánticos son las ópticas, que incluyen múltiples láseres y cámaras de vacío aisladas de vibraciones y temperatura controlada, que contienen cavidades ópticas ultrastables. Estas cavidades estabilizan los láseres con extrema precisión para controlar los iones atrapados para computación y relojes cuánticos ópticos.
En un nuevo artículo, los investigadores muestran los elementos clave de láser estabilizados necesarios para un sistema informático cuántico en chip, capaz de reducir partes del material cuántico del tamaño de una moneda a la de una baraja de cartas. Este es un paso crítico hacia la escalabilidad de la computación cuántica y una oportunidad para hacer portátiles los relojes ópticos (basados en la misma tecnología de iones atrapados).
«Si desea escalabilidad o portabilidad con la tecnología cuántica, también necesita todos los sistemas láser en un chip», explica Robert Niffenegger, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática. «Podríamos tener millones de qubits en un solo chip, lo cual es imposible si necesita habitaciones llenas de láseres y ópticas. Si está seriamente interesado en alcanzar esa escala, debe mirar cómo evolucionaron las computadoras tradicionales a través de la integración. Esa es la visión que estamos siguiendo».
En los ordenadores cuánticos, estos sistemas de iones atrapados sirven como «qubits». Realizan una función similar a los bits informáticos tradicionales almacenando y procesando datos, pero lo hacen según las reglas de la física cuántica, no en binario (0 y 1). Los relojes ópticos miden el tiempo contando las oscilaciones de la luz visible y verificando esta frecuencia con las transiciones atómicas de los iones atrapados, lo que ofrece una precisión sin precedentes para aplicaciones como el mapeo del campo gravitacional terrestre con precisión centimétrica o la mejora de la navegación espacial lejana y los sistemas GPS.
En colaboración con investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara, dirigidos por el profesor Daniel Blumenthal, el equipo ha demostrado por primera vez que estos grandes láseres de precisión pueden ser reemplazados por pequeños chips fotónicos. Muestran que esta nueva tecnología fotónica puede utilizarse para controlar los iones atrapados para realizar operaciones de qubit y reloj.
Han probado cómo su diseño lleva a cabo operaciones cuánticas clave, incluida la preparación del estado cuántico de un qubit. Sus resultados muestran que el sistema ya ha alcanzado la alta fidelidad de preparación y medición del estado de los qubits necesaria para la computación cuántica, y que más mejoras permitirán aplicaciones en detección cuántica.
«Todavía no hemos igualado el rendimiento de los relojes de vanguardia, pero hemos avanzado mucho desde el primer intento y hemos logrado aún más progresos desde entonces», añade Niffenegger.
A largo plazo, afirma que este diseño es un paso crucial para crear computadoras cuánticas funcionales a gran escala, capaces de resolver problemas demasiado complejos para los supercomputadores actuales, como el descifrado de la criptografía que protege una gran parte de los datos sensibles del mundo. Muchos expertos creen que tales aplicaciones podrían requerir millones de qubits.
Para construir algo realmente útil, más allá de lo que un supercomputador tradicional puede hacer, necesitarás un sistema cuántico integrado en chip», dice Niffenegger. «No puedes tener campos de fútbol llenos de láseres y ópticas. Simplemente no funcionará. La integración es el único camino viable».
A corto plazo, Niffenegger ve en esta nueva tecnología una oportunidad para avanzar en la portabilidad de los relojes ópticos. Al miniaturizar el láser y la cavidad en chips fotónicos, los relojes ópticos podrían volverse mucho más compactos y robustos, lo que les permitiría llegar a lugares nunca antes explorados, como el espacio ultraterrestre.
«Realmente es la única forma de colocar un reloj óptico de precisión en el espacio», afirma Niffenegger. «Esto podría permitir nuevos ensayos de física fundamental».
Por ejemplo, imagina probar las constantes fundamentales de la naturaleza haciendo que un reloj óptico realice una órbita elíptica alrededor del sol para ver si hay alguna variación a diferentes distancias. «Actualmente, debido a que nuestro sistema es más pequeño y más robusto ante vibraciones, sería el mejor reloj óptico que podríamos enviar al espacio», agrega.
Un desafío técnico clave ha sido mantener la estabilidad del láser sin los sistemas de aislamiento voluminosos utilizados en las cavidades ópticas convencionales. «No tenemos ese lujo cuando usamos este chip», explica Niffenegger. «Y es intencional. Si queremos decir que es una solución integrada y portátil, debe ser robusta. Siempre está controlada en temperatura, pero no está al vacío». En cambio, han desarrollado un método para compensar activamente el desplazamiento entrelazando las calibraciones con las experiencias.
El siguiente objetivo es la integración completa, combinando el chip de trampa de iones, el chip láser, el chip de cavidad óptica y otros elementos fotónicos en un solo chip. «Ahora que hemos demostrado que las operaciones cuánticas de precisión son posibles con la fotónica integrada», declara Niffenegger, «el siguiente paso es reunir todo en un solo sistema cuántico unificado en chip».
Artículo: Chip scale coil stabilized Brillouin laser driving a room temperature trapped ion qubit – Journal: Nature Communications – Método: Estudio experimental – DOI: Enlace al estudio Source: UMASS
