Nuova trappola ionica per computer quantistici più grandi

Gli stati energetici degli elettroni di un atomo sono soggetti alle leggi della meccanica quantistica: Ciò significa che non sono distribuiti in modo continuo, ma sono limitati a determinati valori fissi, il che è noto come quantizzazione. Questi stati quantizzati sono la base dei bit quantistici (qubit), che gli scienziati vogliono utilizzare per costruire computer quantistici estremamente potenti. A tal fine, gli atomi devono essere raffreddati e tenuti in un luogo, cioè intrappolati.

La trappola può essere ottenuta ionizzando gli atomi, cioè dando loro una carica elettrica. Le leggi dell'elettrodinamica impongono che non è possibile intrappolare in modo permanente singole particelle cariche solo con campi elettrici costanti. Se invece si aggiunge un campo elettromagnetico oscillante, il risultato è una trappola ionica stabile, nota anche come trappola di Paul.

In questo modo, negli ultimi anni è stato possibile costruire computer quantistici con trappole ioniche per circa 30 qubit. Tuttavia, non è facile realizzare computer molto più grandi con questa tecnologia. I campi oscillanti rendono difficile combinare diverse trappole di questo tipo su un unico chip e portano al riscaldamento della trappola, un problema che viene sponsorizzato soprattutto nei sistemi più grandi. Inoltre, il trasporto degli ioni è limitato a linee rette collegate da incroci.

Trappola per ioni con campo magnetico

I ricercatori dell'ETH di Zurigo, guidati da Jonathan Home, hanno dimostrato che i campi magnetici statici - invece di quelli oscillanti - possono essere utilizzati per costruire trappole per ioni adatte al calcolo quantistico. Queste trappole statiche con un campo magnetico aggiuntivo, note come trappole di Penning, possono essere utilizzate per effettuare sia il trasporto arbitrario sia le operazioni necessarie per i futuri supercomputer. I fisici hanno appena pubblicato i loro risultati sulla rivista scientifica Nature.

"Tradizionalmente, le trappole di Penning vengono utilizzate quando si vuole catturare un gran numero di ioni per esperimenti di precisione, ma non è necessario controllarli individualmente", spiega il dottorando dell'ETH Shreyans Jain: "Nei computer quantistici più piccoli con ioni, invece, si utilizzano le trappole di Paul".

L'idea dei ricercatori dell'ETH di Umwelt und Geomatik di costruire in futuro computer quantistici con le trappole di Penning è stata inizialmente accolta con scetticismo dai colleghi. Le ragioni di questo scetticismo sono molteplici: Le trappole di Penning richiedono magneti estremamente forti, molto costosi e piuttosto ingombranti. Inoltre, tutte le trappole di Penning finora sono state molto simmetriche, cosa che non accade con le trappole su chip dell'ETH. Inoltre, se gli esperimenti vengono condotti in un magnete di grandi dimensioni, diventa difficile guidare i raggi laser necessari per controllare i qubit nella trappola. Inoltre, forti campi magnetici aumentano la distanza tra gli stati energetici dei qubit. Questo a sua volta rende i sistemi laser di controllo molto più complicati: invece di un semplice laser a diodi, sono necessari diversi laser ad accoppiamento di fase.

Trasporto in qualsiasi direzione

Tuttavia, Home e i suoi collaboratori non si sono lasciati scoraggiare da tutte queste difficoltà. Hanno costruito una trappola di Penning basata su un magnete superconduttore e su un chip microfabbricato con diversi elettrodi, prodotto presso la Physikalisch-Technische Bundesanstalt di Braunschweig. Il magnete utilizzato eroga un campo di 3 Tesla, cioè quasi 100.000 volte più forte del campo magnetico terrestre. Utilizzando un sistema di specchi raffreddati, i ricercatori di Zurigo sono riusciti a convogliare la luce laser necessaria attraverso il magnete fino agli ioni.

Gli sforzi sono stati salariati: un singolo ione intrappolato, che può rimanere nella trappola per diversi giorni, può ora essere spostato avanti e indietro in una linea retta morta e a volontà controllando i vari elettrodi sul chip - questo non era possibile con i sistemi convenzionali con campi oscillanti. Poiché per la cattura non sono necessari campi oscillanti, è possibile ospitare molte trappole di questo tipo su un unico chip. "Possiamo anche disaccoppiare completamente gli elettrodi carichi di elettricità dal mondo esterno e quindi studiare in che misura gli ioni sono disturbati da influenze esterne", spiega Tobias Sägesser, che ha partecipato all'esperimento come dottorando.

Controllo coerente del qubit

I ricercatori hanno anche dimostrato che gli stati energetici dei qubit dello ione intrappolato potevano essere controllati mantenendo la sovrapposizione quantistica. Questo controllo coerente ha funzionato sia con gli stati elettronici (interni) dello ione sia con gli stati vibrazionali quantizzati (esterni) nella trappola di Penning e anche per l'accoppiamento tra gli stati quantici interni ed esterni. Quest'ultimo è un prerequisito per la creazione di stati di entanglement, importanti per i computer quantistici.

In seguito, Home vuole intrappolare due ioni in trappole di Penning vicine sullo stesso chip e dimostrare così che le operazioni quantistiche possono essere eseguite anche con più qubit. Questo dimostrerebbe definitivamente che i computer quantistici possono essere realizzati con ioni in trappole di Penning. Il professore può anche immaginare altre applicazioni: Poiché gli ioni nella nuova trappola possono essere spostati a piacimento, possono essere utilizzati per misurare campi elettrici, magnetici o a microonde in prossimità di superfici. Ciò apre la possibilità di utilizzare tali sistemi come sensori atomici per le proprietà della superficie.