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Usando luz laser, os pesquisadores desenvolveram o método mais robusto conhecido atualmente para controlar qubits individuais feitos do elemento químico bário. A capacidade de controlar um qubit de forma confiável é uma conquista importante para a realização de futuros computadores quânticos funcionais.
Este novo método, desenvolvido no Instituto de Computação Quântica (IQC) da Universidade de Waterloo, usa um pequeno guia de ondas de vidro para separar feixes de laser e focalizá-los com quatro mícrons de distância, cerca de quatro centésimos da largura de um único fio de cabelo humano. A precisão e a extensão com que cada feixe de laser focado em seu qubit alvo pode ser controlado em paralelo são incomparáveis em pesquisas anteriores.
“Nosso projeto limita a quantidade de diafonia – a quantidade de luz que incide sobre os íons vizinhos – à intensidade relativa muito pequena de 0,01 por cento, que está entre as melhores da comunidade quântica”, disse o Dr. K. Rajibul Islam, professor no IQC e no Departamento de Física e Astronomia de Waterloo. “Ao contrário dos métodos anteriores para criar controles ágeis sobre íons individuais, os moduladores baseados em fibra não afetam uns aos outros.
“Isso significa que podemos conversar com qualquer íon sem afetar seus vizinhos, ao mesmo tempo que mantemos a capacidade de controlar cada íon individual na máxima extensão possível. Este é o sistema de controle de qubit de íon mais flexível com esta alta precisão que conhecemos em qualquer lugar, em ambos academia e indústria.”
Os pesquisadores focaram nos íons de bário, que estão se tornando cada vez mais populares no campo da computação quântica de íons aprisionados. Os íons de bário têm estados de energia convenientes que podem ser usados como os níveis zero e um de um qubit e podem ser manipulados com luz verde visível, ao contrário da luz ultravioleta de maior energia necessária para outros tipos de átomos para a mesma manipulação. Isso permite que os pesquisadores usem tecnologias ópticas disponíveis comercialmente que não estão disponíveis para comprimentos de onda ultravioleta.
Os pesquisadores criaram um chip guia de ondas que divide um único feixe de laser em 16 canais diferentes de luz. Cada canal é então direcionado para moduladores individuais baseados em fibra óptica que fornecem independentemente controle ágil sobre a intensidade, frequência e fase de cada feixe de laser. Os feixes de laser são então focados em seu pequeno espaçamento usando uma série de lentes ópticas semelhantes a um telescópio. Os pesquisadores confirmaram o foco e o controle de cada feixe de laser medindo-os com sensores de câmera precisos.
“Este trabalho faz parte do nosso esforço na Universidade de Waterloo para construir processadores quânticos de íons de bário usando sistemas atômicos”, disse a Dra. Crystal Senko, co-investigadora principal do Islam e membro do corpo docente do IQC e do Departamento de Física e Astronomia de Waterloo. “Usamos íons porque eles são qubits idênticos, feitos pela natureza, então não precisamos fabricá-los. Nossa tarefa é encontrar maneiras de controlá-los.”
O novo método de guia de ondas demonstra um método de controle simples e preciso, mostrando-se promissor para a manipulação de íons para codificar e processar dados quânticos e para implementação em simulação e computação quântica.
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