Pesquisadores desenvolveram uma nova técnica para capturar íons em estruturas 3D usando campos elétricos modificados em armadilhas de Penning, formando cristais de bicamada estáveis.

Essa inovação abre caminho para dispositivos quânticos mais complexos e pode revolucionar a computação e a detecção quântica ao utilizar o espaço de forma mais eficiente.

Desafios dos dispositivos quânticos

Muitos dispositivos quânticos, de sensores quânticos a computadores quânticos, usam íons ou átomos carregados presos em campos elétricos e magnéticos como uma plataforma de hardware para processar informações.

No entanto, os atuais sistemas de íons presos enfrentam desafios importantes. A maioria dos experimentos é limitada a cadeias unidimensionais ou planos bidimensionais de íons, que restringem a escalabilidade e a funcionalidade dos dispositivos quânticos. Os cientistas há muito sonham em empilhar esses íons em estruturas tridimensionais, mas isso tem sido muito difícil porque é difícil manter os íons estáveis ​​e bem controlados quando dispostos de maneiras mais complexas.

Avanço na tecnologia de captura de íons

Para enfrentar esses desafios, uma colaboração internacional de físicos da Índia, Áustria e EUA — incluindo a JILA e a bolsista do NIST Ana Maria Rey, juntamente com os cientistas do NIST Allison Carter e John Bollinger — propôs que ajustar os campos elétricos que prendem os íons pode criar estruturas estáveis ​​e multicamadas, abrindo novas e empolgantes possibilidades para futuras tecnologias quânticas. Os pesquisadores publicaram suas descobertas em Revisão Física X.

“A capacidade de capturar grandes conjuntos de íons em duas ou mais camadas espacialmente separadas sob condições totalmente controláveis ​​abre oportunidades interessantes para explorar novos regimes e fenômenos não facilmente acessíveis em cristais puramente 2D, como modos quirais topológicos, teletransporte e medições de precisão de campos espacialmente variáveis, todos relevantes para a ciência da informação quântica”, diz Rey.

Melhorando a computação quântica com armadilhas de Penning

Entre as várias plataformas sendo exploradas para computação quântica, os íons presos surgiram como um candidato líder devido ao seu alto grau de controlabilidade e à capacidade de executar operações quânticas precisas. Esses íons podem ser manipulados com pulsos de laser ou micro-ondas, que mudam seus estados quânticos, permitindo que sejam “codificados” com informações específicas. Esses íons codificados são frequentemente chamados de bits quânticos ou “qubits”.

Durante esse processo, os íons também sofrem a força de Coulomb ou interações com outros íons, que os físicos podem usar para entrelaçá-los, reduzindo o ruído geral do sistema e melhorando suas medições.

“Trabalhos anteriores mostraram que os cristais de íons podem formar estruturas esferoidais 3D, mas o que estávamos procurando era uma maneira de realizar uma matriz empilhada de camadas 2D”, explicou Samarth Hawaldar, o primeiro autor do artigo e pesquisador do Instituto Indiano de Ciência, em um artigo recente sobre o artigo. “Começamos a explorar maneiras de realizar tais estruturas em um tipo específico de armadilha de íons chamada armadilha Penning, porque essas armadilhas são boas para armazenar grandes números de íons, tipicamente muitas centenas a milhares.”

Em uma armadilha de Penning, os íons podem ser forçados a se auto-organizar em estruturas cristalinas geradas pela competição entre interações repulsivas de Coulomb e o potencial de confinamento — a força elétrica e magnética combinada que mantém os íons presos com segurança em uma região específica do espaço.

“O confinamento é obtido por meio de forças eletromagnéticas criadas por uma pilha de eletrodos e fazendo os íons girarem em um poderoso campo magnético”, explica Carter.

Para os físicos, as armadilhas de Penning são particularmente úteis porque podem armazenar um grande número de íons, tornando-as uma boa opção para experimentos com estruturas tridimensionais mais complexas. As armadilhas de Penning têm sido usadas para organizar íons em uma única camada bidimensional ou em formas tridimensionais mais arredondadas. A forma tridimensional arredondada acontece porque o campo elétrico confinante nessas armadilhas geralmente aumenta linearmente com a distância do centro da armadilha, como o de uma mola ideal, guiando naturalmente os íons para essas formações mais simples e arredondadas.

No entanto, os pesquisadores, incluindo Prakriti Shahi do Instituto Indiano de Tecnologia de Bombaim, tentaram modificar o campo elétrico da armadilha para ser mais nuançado e dependente da distância do centro da armadilha. Essa mudança sutil permitiu que eles persuadissem os íons a formar um novo tipo de estrutura — um cristal de bicamada, onde duas camadas planas de íons eram empilhadas uma sobre a outra.

A equipe conduziu extensas simulações numéricas para validar sua nova abordagem, mostrando que essa configuração de bicamada poderia ser estabilizada sob certas condições e até mesmo sugerindo o potencial de estender o método para criar cristais com mais de duas camadas.

“Estamos animados para tentar formar cristais de duas camadas no laboratório com nossa configuração atual de armadilha Penning”, diz John Bollinger, físico experimental e coautor da publicação. “A longo prazo, acho que essa ideia motivará um redesenho da estrutura detalhada do eletrodo de nossas armadilhas.”

Uma nova fronteira para a captura de íons

Mudar a captura de íons de 2D para 3D tem implicações significativas para o futuro de dispositivos quânticos, como sensores ou computadores quânticos.

“Os cristais de bicamada abrem várias novas capacidades para o processamento de informações quânticas que não são diretas com cadeias 1D ou planos 2D”, disse a Dra. Athreya Shankar, pesquisadora de pós-doutorado no Instituto Indiano de Ciência, em um declaração recente sobre o estudo. “Por exemplo, a geração de entrelaçamento quântico entre grandes subsistemas separados por uma distância, como as duas camadas neste sistema, é uma capacidade procurada em todo o hardware quântico.”

A equipe está ansiosa para testar essas descobertas experimentalmente em suas armadilhas Penning. Se bem-sucedido, isso pode levar a novas arquiteturas de hardware quântico que fazem uso mais eficiente do espaço 3D, aumentando assim a escalabilidade e a robustez das tecnologias quânticas.

Além das oportunidades de hardware, as bicamadas abrem novas simulações quânticas e possibilidades de detecção.

“Por exemplo, os modos normais dos íons em uma bicamada podem acoplar graus de liberdade verticais e radiais, favorecendo o relógio em vez da circulação anti-horária ou vice-versa”, Rey elabora. “Isso poderia ser usado para imitar comportamentos ricos experimentados por elétrons em campos magnéticos fortes, mas sob configurações totalmente controláveis. Além disso, ter mais íons pode melhorar a relação sinal-ruído na medição e, assim, permitir uma estimativa mais precisa de quantidades como tempo, campos elétricos ou acelerações, o que pode ser muito importante para descobrir novas físicas.”

Esta parceria entre pesquisadores na Índia, Áustria e EUA é crítica, pois o campo da tecnologia quântica continua a evoluir. Inovações como essas serão vitais para concretizar todo o potencial da computação quântica, sensoriamento e além.

Referência: “Bilayer Crystals of Trapped Ions for Quantum Information Processing” por Samarth Hawaldar, Prakriti Shahi, Allison L. Carter, Ana Maria Rey, John J. Bollinger e Athreya Shankar, 16 de agosto de 2024, Revisão Física X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.14.031030

Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, pelos Centros de Pesquisa Científica da Iniciativa Quântica Nacional (NQI) e pelo Acelerador de Sistemas Quânticos (QSA).