Física

Los investigadores han producido redes 3D de átomos atrapados para posibles tareas de computación cuántica, pero la tecnología estándar no permite mucho control sobre el espaciamiento de los átomos. Ahora un equipo ha creado un nuevo tipo de red 3D combinando pinzas ópticas (puntos de luz enfocada que atrapan átomos) con un fenómeno óptico conocido como efecto Talbot [1]. La red de pinzas 3D del equipo tiene sitios para 10.000 átomos, pero con algunas modificaciones sencillas, el sistema podría alcanzar los 100.000 átomos. Una disposición de átomos tan grande podría eventualmente servir como plataforma para una computadora cuántica con corrección de errores.

Las redes ópticas 3D existen desde hace décadas. El método estándar para crearlos implica cruzar seis rayos láser para generar un patrón de interferencia 3D que atrapa átomos en puntos de alta o baja intensidad (ver Sinopsis: Localización de Qubits en una red 3D). Estos sistemas de átomos fríos se han utilizado como relojes de precisión y como modelos de sistemas de materia condensada. Sin embargo, el espacio entre los átomos está fijado por la longitud de onda de la luz, lo que puede limitar el control que los investigadores tienen sobre el comportamiento atómico.

Las pinzas ópticas ofrecen un método alternativo para atrapar y controlar átomos. Para formar un conjunto de pinzas, los investigadores pasan un único rayo láser a través de un conjunto de microlentes (o dispositivo similar) que enfoca el haz en un patrón 2D de múltiples puntos brillantes. Los átomos son atraídos automáticamente hacia los centros de estos puntos, formando una matriz en un solo plano (ver Punto de vista: Átomos alcalinos sostenidos con pinzas ópticas). "Llevamos estos conjuntos de pinzas a la tercera dimensión", afirma Malte Schlosser de la Universidad Técnica de Darmstadt, Alemania.

Para obtener una red 3D, Schlosser y sus colegas aprovecharon el efecto Talbot, que es un fenómeno de interferencia que se produce cuando la luz incide en una estructura periódica, como una rejilla de difracción o un conjunto de microlentes. La luz que sale de la estructura produce un patrón de interferencia 2D de puntos brillantes a una distancia fija más allá de la estructura, pero también genera planos adicionales de puntos paralelos al primero. El efecto Talbot se había considerado durante mucho tiempo una molestia para la investigación de matrices de pinzas, ya que crea puntos brillantes "adicionales" que atrapan átomos perdidos, lo que interfiere con las mediciones. Los investigadores convirtieron este "error en una característica" ajustando deliberadamente su sistema óptico para atrapar átomos en los puntos extra brillantes, explica Schlosser.

Los investigadores enfocaron un láser de 800 milivatios sobre un conjunto de microlentes, lo que produjo un conjunto cuadrado 2D de 777 trampas atómicas en el plano focal de la lente. Pero gracias al efecto Talbot, esta matriz 2D se reprodujo en 17 planos paralelos, dando un total de 10.000 trampas atómicas. "Estos aviones Talbot son gratuitos, por lo que no tenemos que instalar potencia láser ni rayos láser adicionales", afirma Schlosser.

Como demostración de su sistema, Schlosser y sus colegas demostraron que podían cargar alrededor del 50% de las trampas con átomos de rubidio e inducir una transición óptica en todos los átomos de una subred. En el futuro, el equipo planea utilizar un rayo láser enfocado para excitar selectivamente un solo átomo. Este control óptico podría permitir a los investigadores "leer" el estado del átomo o colocarlo en el llamado estado de Rydberg que le permitiría interactuar con sus vecinos. El control de las interacciones átomo-átomo se ha demostrado previamente en conjuntos de pinzas 2D. Schlosser prevé interacciones átomo-átomo en la red 3D, pero actualmente el espacio entre los planos es demasiado grande (alrededor de 100 µm); Se requeriría una distancia de 10 µm o menos.

Además de reducir el espacio de la red, el equipo planea explorar otras geometrías de trampa, como patrones hexagonales que podrían imitar materiales como el grafeno. Los investigadores también están trabajando para aumentar la potencia del láser. Más luz aumentará el número de trampas en la red. Estiman que duplicar la potencia proporcionaría 30.000 trampas y que cuadriplicarla debería producir cerca de 100.000.

Schlosser y sus colegas “están abordando uno de los desafíos más importantes que enfrentará cualquier tecnología de computación cuántica, que es la escalabilidad”, dice Ben Bloom, fundador y director de tecnología de Atom Computing, una empresa de tecnología cuántica en California. Dice que el nuevo diseño puede crear una gran cantidad de bits cuánticos de átomos prácticamente sin costo alguno, pero habrá desafíos por delante al tratar de controlar los átomos dentro de la red. Aún así, controlar tantos átomos tendrá beneficios prácticos. "Avanzar hacia un gran número de átomos controlados individualmente en 3D permitirá la exploración de nuevos códigos cuánticos de corrección de errores", afirma Bloom.

–Michael Schirber

Michael Schirber es editor correspondiente de la revista Physics con sede en Lyon, Francia.

Sinopsis: Un número récord de átomos atrapados en un patrón

El sitio web del equipo de investigación.

Malte Schlosser, Sascha Tichelmann, Dominik Schäffner, Daniel Ohl de Mello, Moritz Hambach, Jan Schütz y Gerhard Birkl

Física. Rev. Lett. 130, 180601 (2023)

Publicado el 5 de mayo de 2023

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