Os computadores quânticos podem resolver rapidamente problemas complexos que levariam décadas para serem solucionados pelos supercomputadores clássicos mais potentes. Mas eles precisam ser grandes e estáveis o suficiente para executar operações com eficiência. Para enfrentar esse desafio, pesquisadores do MIT e de outras instituições estão desenvolvendo computadores quânticos de íons aprisionados baseados em chips fotônicos ultracompactos. Esses sistemas baseados em chips oferecem uma alternativa escalável aos computadores quânticos de íons aprisionados existentes, que dependem de equipamentos ópticos volumosos.

Os íons nesses computadores quânticos precisam ser resfriados a temperaturas extremamente baixas para minimizar vibrações e evitar erros. Até o momento, esses sistemas de íons aprisionados baseados em chips fotônicos têm se limitado a métodos de resfriamento ineficientes e lentos.

Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e do MIT Lincoln Laboratory implementou um método muito mais rápido e eficiente em termos de energia para resfriar íons aprisionados usando chips fotônicos. Sua abordagem alcançou um resfriamento cerca de 10 vezes menor que o limite do resfriamento a laser padrão.

A chave dessa técnica é um chip fotônico que incorpora antenas projetadas com precisão para manipular feixes de luz altamente focados e convergentes.

A demonstração inicial dos pesquisadores representa um passo fundamental rumo a arquiteturas escaláveis baseadas em chips, que poderão um dia viabilizar sistemas de computação quântica com maior eficiência e estabilidade.

“Conseguimos projetar dispositivos fotônicos integrados com diversidade de polarização, utilizá-los para desenvolver uma variedade de novos sistemas baseados em fotônica integrada e aplicá-los para demonstrar um resfriamento iônico muito eficiente. No entanto, isso é apenas o começo do que podemos fazer com esses dispositivos. Ao introduzir a diversidade de polarização em sistemas de íons aprisionados baseados em fotônica integrada, este trabalho abre as portas para uma variedade de operações avançadas para íons aprisionados que não eram possíveis anteriormente, indo além do resfriamento iônico eficiente — todas direções de pesquisa que estamos entusiasmados em explorar no futuro”, afirma Jelena Notaros, professora associada de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT, membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica e autora sênior de um artigo sobre essa arquitetura.

Ela é acompanhada no artigo pelos autores principais Sabrina Corsetti, estudante de pós-graduação em Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS); Ethan Clements, ex-pós-doutorando que agora é cientista da equipe do Laboratório Lincoln do MIT; Felix Knollmann, estudante de pós-graduação do Departamento de Física; John Chiaverini, membro sênior da equipe técnica do Laboratório Lincoln e pesquisador principal do Centro de Engenharia Quântica do MIT; bem como outros pesquisadores do Laboratório Lincoln e do MIT. A pesquisa foi publicada hoje em duas publicações conjuntas nos periódicos Light: Science and Applications e Physical Review Letters .

Embora existam muitos tipos de sistemas quânticos, esta pesquisa se concentra na computação quântica de íons aprisionados. Nessa aplicação, uma partícula carregada, chamada íon, é formada pela remoção de um elétron de um átomo e, em seguida, aprisionada por meio de sinais de radiofrequência e manipulada por meio de sinais ópticos.

Os pesquisadores usam lasers para codificar informações no íon aprisionado, alterando seu estado. Dessa forma, o íon pode ser usado como um bit quântico, ou qubit. Os qubits são os blocos de construção de um computador quântico.

Para evitar colisões entre íons e moléculas de gás no ar, os íons são mantidos em vácuo, geralmente criado com um dispositivo conhecido como criostato. Tradicionalmente, lasers volumosos ficam do lado de fora do criostato e emitem diferentes feixes de luz através das janelas do criostato em direção ao chip. Esses sistemas exigem uma sala repleta de componentes ópticos para processar apenas algumas dezenas de íons, o que dificulta a escalabilidade para o grande número de íons necessário para a computação quântica avançada. Pequenas vibrações fora do criostato também podem perturbar os feixes de luz, reduzindo, em última análise, a precisão do computador quântico.

Para contornar esses desafios, pesquisadores do MIT têm desenvolvido sistemas baseados em fotônica integrada. Nesse caso, a luz é emitida pelo mesmo chip que aprisiona o íon. Isso melhora a escalabilidade, eliminando a necessidade de componentes ópticos externos.

“Agora, podemos imaginar milhares de locais em um único chip, todos interligados a muitos íons, trabalhando juntos de forma escalável”, diz Knollmann.

No entanto, as demonstrações baseadas em fotônica integrada até o momento alcançaram eficiências de resfriamento limitadas.

Para possibilitar operações quânticas rápidas e precisas, os pesquisadores usam campos ópticos para reduzir a energia cinética do íon aprisionado. Isso faz com que o íon esfrie a uma temperatura próxima do zero absoluto, uma temperatura efetiva ainda mais baixa do que a alcançada por criostatos.

No entanto, os métodos comuns têm um limite de resfriamento mais alto, de modo que o íon ainda possui muita energia vibracional após a conclusão do processo de resfriamento. Isso dificultaria o uso dos qubits para cálculos de alta qualidade.

Os pesquisadores do MIT utilizaram uma abordagem mais complexa, conhecida como resfriamento por gradiente de polarização, que envolve a interação precisa de dois feixes de luz.

Cada feixe de luz possui uma polarização diferente, o que significa que o campo em cada feixe oscila em uma direção diferente (para cima e para baixo, de um lado para o outro, etc.). Onde esses feixes se cruzam, formam um vórtice de luz rotativo que pode forçar o íon a parar de vibrar de forma ainda mais eficiente.

Embora essa abordagem já tivesse sido demonstrada anteriormente usando óptica volumétrica, ela não havia sido demonstrada antes usando fotônica integrada.

Para possibilitar essa interação mais complexa, os pesquisadores projetaram um chip com duas antenas em nanoescala, que emitem feixes de luz para manipular o íon acima dele.

Essas antenas são conectadas por guias de onda que direcionam a luz até elas. Os guias de onda são projetados para estabilizar o roteamento óptico, o que melhora a estabilidade do padrão de vórtice gerado pelos feixes.

Os pesquisadores também projetaram as antenas para maximizar a quantidade de luz que atinge o íon. Cada antena possui minúsculos entalhes curvos que dispersam a luz para cima, espaçados precisamente para direcioná-la em direção ao íon.

“Nós nos baseamos em muitos anos de desenvolvimento no Laboratório Lincoln para projetar essas grades de difração capazes de emitir diversas polarizações de luz”, diz Corsetti.

Eles experimentaram com diversas arquiteturas, caracterizando cada uma para melhor compreender como emitiam luz.

Com o projeto finalizado, os pesquisadores demonstraram um resfriamento iônico quase 10 vezes inferior ao limite do resfriamento a laser padrão, conhecido como limite Doppler. Seu chip conseguiu atingir esse limite em cerca de 100 microssegundos, várias vezes mais rápido do que outras técnicas.

“A demonstração de desempenho aprimorado usando óptica integrada no chip de armadilha de íons estabelece as bases para uma maior integração que pode permitir novas abordagens para a manipulação de estados quânticos e que poderia melhorar as perspectivas para o processamento prático de informações quânticas”, acrescenta Chiaverini. “A colaboração interinstitucional entre o campus do MIT e os grupos de Lincoln foi fundamental para alcançar esse avanço, um modelo que podemos usar como base para os próximos passos.”

No futuro, a equipe planeja realizar experimentos de caracterização em diferentes arquiteturas de chips e demonstrar o resfriamento por gradiente de polarização com múltiplos íons. Além disso, eles esperam explorar outras aplicações que possam se beneficiar dos feixes de luz estáveis que podem gerar com essa arquitetura.