Un avance en el método de enfriamiento podría ser la clave para superar uno de los principales obstáculos en la evolución de los ordenadores cuánticos basados en iones atrapados en chips. Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts y del Laboratorio Lincoln del MIT han desarrollado una técnica que enfría estos sistemas a temperaturas significativamente más bajas que los métodos convencionales, reduciendo el consumo de energía y acortando los tiempos de proceso.
El estudio, publicado el 15 de enero por MIT News, se centra en la arquitectura de ordenadores cuánticos de iones atrapados, considerada una de las más avanzadas hasta la fecha. En estos dispositivos, los qubits o bits cuánticos están compuestos por átomos a los cuales se les ha eliminado un electrón, siendo confinados por campos electromagnéticos. Para obtener cálculos precisos, es crucial mantener los iones a temperaturas extremadamente bajas para minimizar las vibraciones que pueden generar errores.
Hasta ahora, la refrigeración en los dispositivos con iones atrapados en chips fotónicos se ha visto obstaculizada por ser lenta e ineficiente. A diferencia de los sistemas más antiguos, que dependen de complejos equipos ópticos externos fuera de los criostatos, los chips fotónicos integran elementos ópticos en el sustrato para manipular la luz que interactúa con los iones, una característica esencial para su escalabilidad aunque complicada en la etapa de enfriamiento.
Enfriamiento mediante «gradiente de polarización»
La nueva técnica empleada se conoce como enfriamiento por gradiente de polarización. A diferencia de la refrigeración láser tradicional, este método se fundamenta en la interacción precisa entre dos rayos de luz de polarizaciones diferentes. Al intersectarse, estos rayos crean un patrón rotativo de luz que facilita la extracción de mayor energía vibracional del ion. Si bien este principio ya se había aplicado usando óptica convencional, su implementación en sistemas de fotónica integrada, que permite manipular la luz con gran precisión y estabilidad en estos chips, no se había logrado hasta ahora.
Para alcanzar este avance, el equipo diseñó un chip que incluye dos antenas nanométricas conectadas por guías de onda que estabilizan el trayecto de la luz. Estas antenas proyectan rayos altamente focalizados hacia el ion confinado en el chip y están diseñadas con muescas curvas que dispersan la luz de manera controlada, optimizando la eficacia del enfriamiento.
Temperaturas casi diez veces más bajas
Este método ha conseguido alcanzar temperaturas casi diez veces inferiores al límite establecido por la refrigeración láser tradicional, conocido como límite Doppler, y lo hace en aproximadamente 100 microsegundos, mucho más rápido que otros métodos usados anteriormente. Según los investigadores, la estabilidad de los patrones de luz creados por la fotónica integrada ha sido crucial para este control preciso sobre los iones.
«Esto es solo el principio de lo que podemos lograr con estos dispositivos», afirmó Jelena Notaros, profesora asociada del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT y autora principal del estudio. El equipo subraya que la incorporación de diversidad de polarización en sistemas integrados no solo permite un enfriamiento más eficiente, sino también la posibilidad de realizar nuevas operaciones avanzadas con iones atrapados.
Los resultados de la investigación han sido publicados conjuntamente en las revistas Light: Science and Applications y Physical Review Letters. De cara al futuro, los investigadores planean explorar otras arquitecturas de chip y expandir esta técnica a sistemas que incluyan múltiples iones, con miras a aplicaciones más complejas en computación cuántica y manipulación de estados cuánticos.
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