En camino a mejores ordenadores cuánticos: crean qubit de isótopo radiactivo de bario

D. Hucul et al./ Phys. Rev. Lett., 2017

Uno de los tipos más populares de qubits en prototipos de computadoras cuánticas son los iones de metales, retenidos en una trampa especial de iones con ayuda del enfriamiento láser. Sin embargo, la longitud de onda del láser requerida para el retenimiento conduce a la disminución de la eficiencia de dicho qubit. Para resolver este problema, los físicos estadounidenses propusieron usar isótopo radiactivo de bario con una larga vida media en calidad de qubits, en lugar de isótopos estables. Physical Review Letters publica el artículo.

El qubit es un elemento único de almacenamiento de información en un ordenador cuántico, como un bit de información es a la computación convencional.

Los cientíicos sugirieron usar iones de metales alcalinotérreos en calidad de qubits debido a la posibilidad de estos de cambiar fácilmente su estructura hiperfina con ayuda de la radiación microondas. Y cambiando la estructura hiperfina, es posible controlar el estado cuántico de dicho qubit iónico. Los que mejor se ajustan para esto son los iones con espín ½ nuclear, que conduce a la formación de un par de estados para los cuales la proyección del momento total a lo largo del campo magnético es cero. Los qubits en tales estados cuánticos están bien protegidos del campo magnético y pueden retener un estado coherente durante más de 10 minutos. Sin embargo, de todos los isótopos estables, solo tres iones -cadmio, mercurio e iterbio- tienen el espín nuclear deseado (medio integral) y una estructura electrónica tal que la longitud de onda láser requerida para el enfriamiento es relativamente cercana a la región visible. Pero para todos estos iones, es necesario utilizar la radiación ultravioleta de onda corta para el enfriamiento, lo que no siempre es posible dentro de las complejas arquitecturas de las computadoras cuánticas. Ello también limita severamente la distancia en la que la información cuántica puede ser transmitida.

En su trabajo, los físicos propusieron usar el isótopo artificial sintetizado de bario-133 con una vida media de aproximadamente 10 años, en lugar de isótopos naturales. El ion 133Ba+ posee una combinación única de propiedades: por un lado tiene el espín ½ nuclear necesario, y por otro lado tiene una estructura electrónica con la energía de transiciones en la parte visible del espectro.

La estructura hiperfina del ion bario-133 y las transiciones que ocurren durante su enfriamiento láser.

D. Hucul y otros Phys. Rev. Lett., 2017

Como fuente de bario, los científicos usaron una solución ácida de cloruro de bario (II), que contenía 2% del isótopo requerido. De él, usando la ablación láser en las trampas iónicas, capturaron los iones de bario. La dificultad principal consistía en mantener en la trampa iónica solo el isótopo necesario de bario-133 con espín 1/2. Para este propósito, se usó la selectividad de frecuencia del calentamiento y enfriamiento láser. Usando las diferencias en la estructura hiperfina de los niveles de energía de iones de diferentes isótopos, los científicos pudieron retener los isótopos correctos en la trampa de iones y expulsar a los isótopos incorrectos.

Fijando en las trampas de iones solo los iones necesarios 133Ba+, los científicos pudieron investigar la estructura hiperfina de los niveles de energía del ion deseado. Los espectros obtenidos confirmaron que tales iones pueden, de hecho, ser usados ​​como qubits. Al mismo tiempo, los físicos lograron registrar una división hiperfina del nivel 52D3/2 previamente desconocida .

Por lo tanto, se demostró que los iones de los isótopos inestables se pueden utilizar como qubits en los ordenadores cuánticos. Lo más probable es que se deba al enfriamiento láser utilizando radiación en la región visible. La nueva técnica ayudará a crear computadoras cuánticas más eficientes que las que se propusieron anteriormente sobre la base de iones de iterbio.

Alexánder Dubov

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