Los iones atrapados excitados con un rayo láser se pueden usar para crear qubits entrelazados en sistemas de información cuántica, pero abordar varios pares de iones estacionarios en una trampa requiere múltiples interruptores ópticos y controles complejos. Ahora, los científicos del Instituto de Investigación Tecnológica de Georgia (GTRI) han demostrado la viabilidad de un nuevo enfoque que mueve pares de iones atrapados a través de un solo rayo láser, reduciendo potencialmente los requisitos de energía y simplificando el sistema.
En un artículo que se publicará el 31 de enero en la revista Cartas de revisión física, los investigadores describen la implementación de puertas entrelazadas de dos qubits mediante el movimiento de iones de calcio retenidos en una trampa de electrodos de superficie a través de un haz óptico bicromático estacionario. Mantener un cambio Doppler constante durante el movimiento de iones requería un control preciso del tiempo.
«Hemos demostrado que el transporte de iones es una herramienta interesante que se puede aplicar de formas únicas para producir un estado entrelazado usando un control fino sobre el transporte de iones», dijo Holly Tinkey, científica investigadora de GTRI que dirigió el estudio. «La mayoría de los experimentos con trampas de iones tienen cierto control sobre el movimiento de los iones, por lo que hemos demostrado que podemos integrar potencialmente ese transporte existente en las operaciones de lógica cuántica».
Las mediciones mostraron que el estado cuántico entrelazado de los dos qubits transportados a través del haz óptico tenía una fidelidad comparable a los estados entrelazados producidos por puertas estacionarias realizadas en el mismo sistema de captura. El experimento utilizó una transición de qubit óptico entre un estado fundamental electrónico y un estado metaestable de 40California+ iones dentro de una trampa de superficie, una configuración que permitió realizar puertas de un qubit y de dos qubits utilizando un solo haz.
Los investigadores movieron el par de iones atrapados variando con precisión los campos de confinamiento eléctrico en la trampa controlando los voltajes aplicados a los electrodos adyacentes. Los iones mismos tienen una carga eléctrica, una propiedad que los hace sujetos a los campos eléctricos cambiantes a su alrededor.
«Realizamos algunas interacciones en las que los iones quedan atrapados juntos en un solo pozo potencial y donde están muy cerca y pueden interactuar, pero luego a veces queremos separarlos para hacer algo distinto a un ion que no queremos hacer. el otro ion», explicó Tinkey.
Las operaciones de transporte se utilizan en la mayoría de los experimentos con trampas de iones para permitir la carga, la detección individual y el direccionamiento individual. Los avances en el diseño de trampas y el control del potencial eléctrico han dado lugar a mejoras en actividades como el transporte rápido, la separación rápida de iones, el control de fase óptica, el transporte de uniones y la rotación de cadenas iónicas.
Los iones atrapados se encuentran entre las plataformas potenciales que se están estudiando para los sistemas de información cuántica. Otras opciones, como los qubits superconductores, están unidos físicamente a un sustrato y no serían compatibles con el enfoque de transporte utilizado por los investigadores de GTRI. Las técnicas de computación cuántica podrían ayudar a acelerar el descubrimiento de nuevos productos farmacéuticos y crear avances en la ingeniería de materiales.
La activación de iones a través del transporte se había propuesto teóricamente hace varios años, y otro grupo experimental ya ha creado interacciones moviendo iones individuales a través de un haz estacionario. Se cree que el estudio GTRI es el primero en crear una puerta entrelazada habilitada para el transporte con dos iones atrapados. En su experimento, los investigadores de GTRI utilizaron dos tonos de luz roja en frecuencias ligeramente diferentes.
Mover los iones en un solo haz tiene al menos tres ventajas potenciales. Por un lado, si un solo haz puede reflejarse de un lado a otro a través de una trampa, ese haz podría interactuar con muchos iones, reduciendo la necesidad de múltiples haces y la potencia y la complejidad de control que requieren.
«Esto realmente abre la posibilidad de compartir la luz entre múltiples sitios dentro de una estructura más grande, sin tener que tener un interruptor óptico para cada par de iones», dijo Kenton Brown, científico investigador sénior de GTRI que colaboró en el proyecto. «Esta técnica nos permite mover literalmente los iones físicamente fuera del haz y solo dejar los iones que queremos bloquear en el haz».
Otra ventaja es que la intensidad de la interacción se puede controlar mediante el movimiento de iones a través del haz en lugar de ajustar los pulsos del láser. Y debido a que la intensidad del haz sube y baja suavemente a medida que los iones se mueven a través de diferentes partes del mismo, se pueden reducir los problemas de acoplamiento no resonante, dijo Tinkey.
«Básicamente hace que tus curvas sean más planas y más fáciles de trabajar», dijo. «Eso significa que podría operar su puerta en un rango más amplio de desafinaciones».
Pero también hay desventajas. Debido a que los iones se mueven a través del haz, no permanecen en la parte más intensa por mucho tiempo, sino que están expuestos a una potencia que aumenta y disminuye a medida que se mueven. Eso significa que se debe usar un haz más intenso para proporcionar una cantidad específica de energía a los iones.
Brown dijo que a los investigadores cuánticos les preocupaba que mover los iones y usar su movimiento para crear puertas de dos qubits simultáneamente crearía demasiados factores complicados que podrían hacer que todo el enfoque fuera inviable. «Pero resulta que si tienes suficiente control sobre esas dos cosas, puedes hacer que funcione», agregó.
Los próximos pasos posibles podrían incluir extender la técnica de puerta de transporte a cadenas de iones más largas con diferentes modos de transporte y diferentes especies de iones. A los investigadores también les gustaría usar una configuración de rayo láser diferente que podría reducir aún más la pequeña tasa de error que vieron en sus experimentos.
