Los átomos, fotones y otras partículas cuánticas suelen ser caprichosos y meticulosos por naturaleza; muy raramente parados, a menudo chocan con otros de su especie. Pero si tales partículas pueden ser acorraladas individualmente y controladas en grandes cantidades, pueden aprovecharse como bits cuánticos o qubits, pequeñas unidades de información cuyo estado u orientación se puede usar para realizar cálculos a velocidades significativamente más rápidas que las computadoras actuales basadas en semiconductores. papas fritas.

En los últimos años, los científicos han ideado formas de aislar y manipular partículas cuánticas individuales. Pero tales técnicas han sido difíciles de escalar, y la falta de una forma confiable de manipular un gran número de átomos sigue siendo un obstáculo importante hacia la computación cuántica.

Ahora, científicos de Harvard y MIT han encontrado una forma de sortear este desafío. En un artículo publicado hoy en la revista Ciencia:, los investigadores informan sobre un nuevo método que les permite usar láseres como "pinzas" ópticas para extraer átomos individuales de una nube y mantenerlos en su lugar. A medida que los átomos quedan "atrapados", los científicos utilizan una cámara para crear imágenes de los átomos y sus ubicaciones. Con base en estas imágenes, luego manipulan el ángulo de los rayos láser para mover átomos individuales en cualquier cantidad de configuraciones diferentes.

Hasta ahora, el equipo ha creado matrices de 50 átomos y las ha manipulado en varios patrones sin defectos, con control de un solo átomo. Vladan Vuletic, uno de los autores del artículo y profesor de Física Lester Wolfe en el MIT, compara el proceso con "construir un pequeño cristal de átomos, de abajo hacia arriba".

"Hemos demostrado una matriz reconfigurable de trampas para átomos individuales, donde podemos preparar hasta 50 átomos individuales en trampas separadas de forma determinista, para uso futuro en el procesamiento de información cuántica, simulaciones cuánticas o mediciones de precisión", dice Vuletic, quien también es un miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT. "Es como Legos de átomos que se construyen y se puede decidir dónde quiere que esté cada bloque". 

Los otros autores principales del artículo son el autor principal Manuel Endres y Markus Greiner y Mikhail Lukin de la Universidad de Harvard.

Mantenerse neutral

El equipo diseñó su técnica para manipular átomos neutros, que no llevan carga eléctrica. La mayoría de los otros experimentos cuánticos han involucrado átomos cargados, o iones, ya que su carga los hace más fáciles de atrapar. Los científicos también han demostrado que se puede hacer que los iones, bajo ciertas condiciones, realicen puertas cuánticas, operaciones lógicas entre dos bits cuánticos, similares a las puertas lógicas en los circuitos clásicos. Sin embargo, debido a su naturaleza cargada, los iones se repelen entre sí y son difíciles de ensamblar en matrices densas.

Los átomos neutros, por otro lado, no tienen ningún problema en estar muy cerca. El principal obstáculo para usar átomos neutros como qubits ha sido que, a diferencia de los iones, experimentan fuerzas muy débiles y no se mantienen fácilmente en su lugar.

“El truco es atraparlos y, en particular, atrapar a muchos de ellos”, dice Vuletic. “La gente ha podido atrapar muchos átomos neutrales, pero no de una manera que se pueda formar una estructura regular con ellos. Y para la computación cuántica, es necesario poder mover átomos específicos a ubicaciones específicas, con control individual ”.

Poniendo la trampa

Para atrapar átomos neutros individuales, los investigadores primero usaron un láser para enfriar una nube de átomos de rubidio a temperaturas ultrafrías, cercanas al cero absoluto, lo que ralentizó los átomos de sus trayectorias habituales de alta velocidad. Luego dirigieron un segundo rayo láser a través de un instrumento que divide el rayo láser en muchos rayos más pequeños, cuyo número y ángulo dependen de la radiofrecuencia aplicada al deflector.

Los investigadores enfocaron los rayos láser más pequeños a través de la nube de átomos ultrafríos y encontraron que el foco de cada rayo, el punto en el que la intensidad del rayo era más alta, atraía un solo átomo, esencialmente sacándolo de la nube y manteniéndolo en su lugar.

“Es similar a cargar un peine frotándolo contra algo de lana y usándolo para recoger pequeños trozos de papel”, dice Vuletic. "Es un proceso similar con los átomos, que son atraídos por regiones de alta intensidad del campo de luz".

Mientras los átomos están atrapados, emiten luz, que los científicos capturaron usando una cámara de dispositivo de carga acoplada. Al observar sus imágenes, los investigadores pudieron discernir qué rayos láser, o pinzas, contenían átomos y cuáles no. Luego, podrían cambiar la frecuencia de radio de cada haz para "apagar" las pinzas sin átomos y reorganizar las que tienen átomos para crear matrices libres de defectos. El equipo finalmente creó matrices de 50 átomos que se mantuvieron en su lugar durante varios segundos.

"La pregunta siempre es, ¿cuántas operaciones cuánticas puedes realizar en este tiempo?" Dice Vuletic. “La escala de tiempo típica para los átomos neutros es de unos 10 microsegundos, por lo que podría realizar unas 100,000 operaciones en un segundo. Creemos que por ahora esta vida está bien ".

Ahora, el equipo está investigando si pueden alentar a los átomos neutros a realizar puertas cuánticas, el procesamiento más básico de información entre dos qubits. Mientras que otros han demostrado esto entre dos átomos neutros, no han podido retener puertas cuánticas en sistemas que involucran un gran número de átomos. Si Vuletic y sus colegas pueden inducir con éxito puertas cuánticas en sus sistemas de 50 átomos o más, habrán dado un paso significativo hacia la realización de la computación cuántica.

“A la gente también le gustaría hacer otros experimentos además de la computación cuántica, como simular la física de la materia condensada, con un número predeterminado de átomos, y ahora con esta técnica debería ser posible”, dice Vuletic. "Es muy emocionante."

Esta investigación fue apoyada en parte por la National Science Foundation y la National Security Science and Engineering Faculty Fellowship.