Steven Burrows/JILA, editado
doi.org/10.1103/PhysRevX.14.031030
Credibilidade: 999
#Computação Quântica
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 quânticas 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 com campos elétricos e magnéticos como uma plataforma de hardware para processar informações.
No entanto, os sistemas atuais 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 JILA e NIST Fellow Ana Maria Rey, juntamente com os cientistas do NIST Allison Carter e John Bollinger, propôs que ajustar os campos elétricos que capturam os íons pode criar estruturas estáveis “”e multicamadas, abrindo novas possibilidades interessantes para futuras tecnologias quânticas. Os pesquisadores publicaram suas descobertas na Physical Review 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.
Aprimorando a computação quântica com armadilhas de Penning:
Entre as várias plataformas que estão sendo exploradas para a computação quântica, os íons capturados 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 experimentam a força de Coulomb ou interações com outros íons, que os físicos podem usar para enredá-los, reduzindo o ruído geral do sistema e aprimorando suas medições.
Trabalhos anteriores mostraram que cristais de íons podem formar estruturas esferoidais 3D, mas o que estávamos procurando era uma maneira de realizar uma matriz empilhada de camadas 2D, – Samarth Hawaldar, o primeiro autor do artigo e pesquisador do Instituto Indiano de Ciência, explicou 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, normalmente muitas centenas a milhares.-
Em uma armadilha Penning, os íons podem ser forçados a se auto-agrupar 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 Penning são particularmente úteis porque podem armazenar um grande número de íons, tornando-as uma boa opção para experimentar estruturas tridimensionais mais complexas. As armadilhas Penning têm sido usadas para organizar íons em uma única camada bidimensional ou em formas tridimensionais mais arredondadas. O formato arredondado e tridimensional 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 sutil e dependente da distância do centro da armadilha. Essa mudança sutil permitiu que eles persuadissem os íons formando 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 bicamada no laboratório com nossa configuração atual de armadilha Penning, – diz John Bollinger, físico experimental e coautor da publicação. A longo prazo, acredito que essa ideia motivará um redesenho da estrutura detalhada dos eletrodos de nossas armadilhas.
Publicado em 31/08/2024 22h33
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