Científicos suizos crean mapas 3D de campos electromagnéticos en chips cuánticos usando un solo ion
Investigadores de ETH Zurich desarrollaron una técnica que utiliza un único ion atrapado para crear mapas tridimensionales detallados de campos electromagnéticos sobre la superficie de chips, ofreciendo una nueva herramienta para mejorar el hardware de futuras computadoras cuánticas y sensores cuánticos, según informó la institución suiza.
El método permite a los científicos detectar campos eléctricos y magnéticos extremadamente débiles que pueden interferir con los frágiles estados cuánticos necesarios para realizar cálculos. Estas mediciones podrían ayudar a los ingenieros a identificar materiales y técnicas de fabricación más limpios para dispositivos cuánticos de próxima generación antes de su implementación generalizada, según ETH Zurich.
Uno de los mayores desafíos que enfrentan las computadoras cuánticas de iones atrapados es el ruido eléctrico generado por los propios chips. Incluso perturbaciones electromagnéticas minúsculas pueden interrumpir los estados cuánticos que realizan cálculos, reduciendo la precisión y confiabilidad del sistema, según los investigadores de ETH Zurich.
El equipo construyó una trampa Penning basada en chip que puede mover un solo ion de berilio libremente en tres dimensiones. A diferencia de las trampas de iones convencionales que dependen de campos oscilantes de radiofrecuencia, la trampa Penning utiliza campos eléctricos y magnéticos estáticos. Ese diseño permite a los investigadores posicionar el ion con mayor flexibilidad mientras facilita la detección de campos oscilantes débiles, según la institución.
Tobias Sägesser, investigador doctoral, dijo que el grupo desarrolló previamente la trampa para mover iones libremente en tres dimensiones. El último trabajo utiliza esa capacidad para escanear el espacio sobre un chip y construir un mapa electromagnético detallado.
El proceso comienza enfriando un solo ion de berilio con láseres hasta que alcanza su estado de movimiento cuántico más bajo. Los investigadores luego mueven el ion a diferentes ubicaciones sobre el chip ajustando voltajes en los electrodos de la trampa. La configuración puede escanear un área de 200 por 200 micrómetros a alturas que van desde 50 hasta 450 micrómetros sobre la superficie, según ETH Zurich.
Una vez que el ion alcanza un punto de medición, los campos eléctricos débiles del chip aumentan gradualmente su movimiento dentro de la trampa. Pulsos láser adicionales revelan cuánto ha cambiado el estado cuántico del ion, permitiendo a los investigadores calcular la fuerza del campo eléctrico circundante, según la institución.
Sägesser dijo que el equipo logró la medición más sensible hasta ahora de un campo eléctrico oscilante dentro de una trampa de chip. El sistema detectó una señal de apenas 10 nanovoltios por metro en un segundo. Para comparación, el campo electromagnético de un teléfono celular permanece aproximadamente 10.000 veces más fuerte incluso a varios kilómetros de distancia, según los investigadores.
Los investigadores también midieron campos eléctricos estáticos observando cómo los campos parásitos desplazaban el ion de su posición de reposo. Determinaron los campos magnéticos rastreando cambios en los niveles de energía del ion, según ETH Zurich.
El profesor Jonathan Home dijo que los científicos han pasado más de 30 años intentando determinar qué causa el ruido del campo eléctrico cerca de los chips cuánticos. El nuevo enfoque proporciona mediciones tridimensionales precisas que los investigadores pueden comparar directamente con modelos teóricos, facilitando la identificación de fuentes específicas de interferencia.
La trampa Penning también ofrece otra ventaja. Los investigadores pueden desconectarla temporalmente de fuentes de voltaje externas, reduciendo influencias externas que previamente complicaban los experimentos, según Home.
Home espera que la técnica se convierta en una herramienta valiosa para probar materiales utilizados en chips cuánticos. Los ingenieros podrían comparar diferentes recubrimientos de superficie y métodos de fabricación para identificar opciones que produzcan el menor ruido eléctrico, ayudando a mejorar el rendimiento de futuras computadoras cuánticas y tecnologías de detección cuántica, según el profesor.
