Las trampas de iones miniaturizadas muestran la promesa de la impresión 3D para el hardware que computa cuántica

Investigadores de Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), la Universidad de California (UC) Berkeley, UC Riverside y UC Santa Bárbara tienen trampas de iones cuadrupolo miniaturizados por primera vez con impresión 3D, un avance en uno de los enfoques más prometedores para construir una computadora cuántica a gran escala.

Las trampas de iones cuadrupolo tienen cuatro postes de electrodo que crean un potencial eléctrico oscilante que atrapa los iones al anular su vibración natural, similar a cómo elevar o bajar diferentes extremos de un paracaídas en el patio de recreo puede mantener una bola de fútbol en su superficie. Las trampas mantienen los iones confinados durante horas antes de que escapen, y si los iones se enfrían en su estado fundamental, donde están en su energía más baja posible, pueden funcionar como bits cuánticos (qubits), la unidad de información más básica en una computadora cuántica.

Hecho con la impresión 3D de polimerización de dos fotones ultra alta (2PP), las trampas de iones a escala milimétrica pueden limitar los iones de calcio con frecuencias, tasas de error y coherencia competitiva con las operaciones de estado de arte y pueden usarse para realizar operaciones de un solo y dos qubits. Los hallazgos del equipo se publicaron en un artículo reciente publicado en Naturaleza.

«Este es el tipo de cambio tecnológico que llevará a las trampas de iones de funcionar bien con solo unos pocos iones a hacer algo que consideraríamos un cálculo y, con suerte, a algo que podamos comenzar a usar como una computadora», dijo el coautor Kristi Beck, físico y director del Centro Livermore para Quantum Science.

Nuevas formas y tamaños

Los qubits deben permanecer coherentes (en un estado cuántico) durante el mayor tiempo posible y comportarse de la manera más confiable posible para que los investigadores codifiquen los datos de manera efectiva y realicen operaciones. Los iones atrapados tienen tiempos de coherencia mucho más largos y funcionan a temperaturas más altas que otros enfoques, solicitando que un láser se enfríe a su estado fundamental en lugar de una refrigeración criogénica.

Sin embargo, existe una compensación entre el rendimiento y la escalabilidad. En la industria, los investigadores comúnmente usan trampas de iones «planas» con electrodos de superficie que pueden escalar bien como bloques de construcción de un sistema de procesamiento de información a gran escala, pero los diseños 3D tradicionales tienen un mejor rendimiento. El equipo vio una posible solución a este problema en la impresión 3D.

«La impresión 3D nos brinda el confinamiento que necesitamos para atrapar bien el ion y con altas frecuencias, y también podemos hacer muchas trampas de iones en el mismo chip», dijo el ingeniero de personal de la División de Ingeniería de Materiales (MED) y co-dirista Xiaoxing XIA. «Esto es similar cuando las personas trabajaron con transistores individuales voluminosos antes de que se inventara el circuito integrado. La impresión 3D puede permitirnos ir más allá de estas trampas convencionales en sistemas más integrados como nuestros procesadores actuales».

Las trampas impresas pueden limitar los iones de calcio con frecuencias mucho más altas que las trampas 3D regulares y las trampas planas, creando potenciales armónicos profundos entre electrodos que estabilizan el sistema y mejoran la coherencia. Las trampas demostraron su estabilidad al limitar a dos iones de calcio que intercambiaron posiciones cada pocos minutos, competitivos con el estado del arte.

El equipo también implementó una puerta de enredo de dos quits con 98% de fidelidad, realizó rotaciones de un solo qubit y midió las tasas de calentamiento movimiento, que cuantifica una de las principales fuentes de error para las puertas cuánticas de iones atrapados.

«Estoy emocionado por el potencial que se abre solo de nuestra prueba de concepto», dijo el ingeniero de personal de Med y coautor Abhinav parakh. «Poder aprovechar el poder computacional exponencial [from quantum computing]necesitamos tener múltiples iones enredados entre sí, acercarlos, hacer el cálculo con ellos y luego separarlos, algo se puede hacer de manera eficiente utilizando estructuras impresas en 3D «.

El equipo puede imprimir de manera confiable una trampa de iones miniaturizado en 14 horas desde cero, o en 30 minutos si solo imprimen los electrodos en un sustrato existente. La capacidad de prototipos rápidamente y la flexibilidad de imprimir en casi cualquier configuración también les da la oportunidad de experimentar con nuevos diseños, como una trampa plana basada en el diseño 3D clásico que el equipo desarrolló, imprimió, miniaturizó y usó para atrapar iones tanto a temperaturas criogénicas como a la habitación.

«Expandimos drásticamente el rango de geometrías de trampas alcanzables y aumentamos la complejidad», dijo el profesor y coautor de Física cuántica de UC Berkeley, Hartmut Haeffner. «Con este mayor espacio de diseño, ahora podemos pensar de manera muy diferente sobre cómo optimizar y miniaturizar nuestras trampas de iones».

A medida que los diseños evolucionan, el equipo tiene como objetivo integrar la fotónica y la electrónica en el mismo chip para que todo el sistema sea más eficiente y compacto. Beck también quiere explorar formas de hacer que las computadoras cuánticas sean más confiables y más fáciles de controlar. La mayor fuente de error es el ruido, las interacciones incontroladas con el entorno que hacen que un sistema cuántico se comporte de manera impecable, y las superficies de las trampas de iones son actualmente una fuente importante de ruido.

«Si podemos quitar más material que está cerca de los iones, habrá menos lugares donde sabemos que el ruido está entrando en el sistema, por lo que esperamos ver un mejor rendimiento», dijo.

Un catalizador potencial

El equipo espera que su enfoque innovador ayude a poner LLNL en el mapa para el desarrollo de hardware de computación cuántica de trampa de iones y sirva como un catalizador potencial para futuras colaboraciones que ayudarán a transformar sus ideas en productos comerciales.

Las trampas iónicas miniaturizadas también se pueden usar para la detección y los relojes atómicos ultra precinos, y si el sistema de enfriamiento láser se escala e integra con éxito en un chip, podrían ser la base de espectrómetros de masas de baja potencia compactos para metrología de precisión. Xia también lo ve como una oportunidad para mostrar lo que la impresión 3D de alta resolución puede hacer para el campo.

«La computación cuántica es un adoptante temprano ideal para la impresión 3D porque quieren la resolución muy alta, las características finas y la intrincada geometría 3D que ninguna otra técnica de fabricación puede proporcionar», dijo Xia.