Un método de refrigeración más rápido y eficiente podría despejar uno de los principales cuellos de botella en el desarrollo de ordenadores cuánticos basados en iones atrapados integrados en chip. Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts y del MIT Lincoln Laboratory ha demostrado una técnica que permite enfriar estos sistemas hasta temperaturas muy por debajo de los límites habituales, con un consumo energético menor y en tiempos sensiblemente más cortos.

La investigación, difundida el pasado 15 de enero por MIT News, se ha centrado en los llamados ordenadores cuánticos de iones atrapados, una de las arquitecturas más prometedoras en este campo. En estos sistemas, los bits cuánticos o qubits se construyen a partir de átomos a los que se les ha arrancado un electrón y que quedan confinados mediante campos electromagnéticos. Para que los cálculos sean fiables, esos iones deben mantenerse extremadamente fríos, de modo que se reduzcan al mínimo las vibraciones que introducen errores.

Hasta ahora, los dispositivos de iones atrapados integrados en chips fotónicos se habían visto limitados por métodos de refrigeración lentos y poco eficientes. A diferencia de los sistemas tradicionales –que dependen de grandes equipos ópticos externos colocados fuera de criostatos–, los chips fotónicos integran en el propio sustrato los elementos necesarios para generar y dirigir la luz que manipula los iones. Esa integración es clave para la escalabilidad, pero planteaba dificultades técnicas en la fase de enfriamiento.

Refrigeración por "gradiente de polarización"

El nuevo enfoque utiliza una técnica conocida como refrigeración por gradiente de polarización. A diferencia de la refrigeración láser estándar, este método se basa en la interacción precisa de dos haces de luz con polarizaciones distintas. Al cruzarse, esos haces generan un patrón de luz en rotación que permite extraer aún más energía vibracional del ion. Aunque este principio ya se había demostrado con óptica convencional, no se había logrado hasta ahora en sistemas de fotónica integrada –el tipo de óptica miniaturizada que se utiliza para manipular la luz con precisión y estabilidad en este tipo de chips–.

Para hacerlo posible, el equipo ha diseñado un chip que incorpora dos antenas a escala nanométrica, conectadas mediante guías de onda que estabilizan el recorrido de la luz. Estas antenas emiten haces muy focalizados hacia el ion atrapado sobre el chip y están diseñadas con pequeñas muescas curvas que dispersan la luz de forma controlada para maximizar la eficiencia del proceso.

Temperaturas diez veces inferiores

El resultado ha sido una refrigeración que alcanza temperaturas casi diez veces inferiores al límite de la refrigeración láser estándar –conocido como límite Doppler– y que se completa en alrededor de 100 microsegundos, varias veces más rápido que otras técnicas empleadas hasta ahora. Según los investigadores, la estabilidad de los patrones de luz generados mediante fotónica integrada ha sido un factor decisivo para lograr este control fino del comportamiento de los iones.

“Esto es solo el comienzo de lo que podemos hacer con estos dispositivos”, ha señalado Jelena Notaros, profesora asociada en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT y autora principal del trabajo. El equipo destaca que la introducción de diversidad de polarización en sistemas integrados abre la puerta no solo a una refrigeración más eficiente, sino también a nuevas operaciones avanzadas sobre iones atrapados.

La investigación se ha publicado de forma conjunta en las revistas Light: Science and Applications y Physical Review Letters. De cara a los próximos pasos a dar, los autores planean estudiar otras arquitecturas de chip y extender esta técnica a sistemas con múltiples iones, con la vista puesta en aplicaciones más complejas de computación cuántica y manipulación de estados cuánticos.