La trampa Enchilada, fabricada en las instalaciones de fabricación de Ingeniería, Ciencia y Aplicaciones de Microsistemas de Sandia National Laboratories. Crédito: Craig Fritz, Laboratorios Nacionales Sandia
Sandia Labs fabrica sus primeros dispositivos capaces de soportar 200 qubits de iones atrapados.
Los Laboratorios Nacionales Sandia han producido su primer lote de una nueva trampa de iones de clase mundial, un componente central para ciertas computadoras cuánticas. Este innovador dispositivo, llamado Enchilada Trap, permite a los investigadores construir máquinas más potentes, impulsando el ámbito experimental pero innovador de la computación cuántica.
Además de las trampas operadas en Sandia, se utilizarán varias trampas en la Universidad de Duke para ejecutar algoritmos cuánticos. Duke y Sandia son socios de investigación a través del Quantum Systems Accelerator, uno de los cinco Centros Nacionales de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica de EE. UU. financiados por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.
Una trampa de iones es un tipo de microchip que contiene átomos o iones cargados eléctricamente. Con más iones atrapados, o qubits, una computadora cuántica puede ejecutar algoritmos más complejos.
Jonathan Sterk señala la sección de una trampa de iones por la que viajan los qubits de iones atrapados en una vista de primer plano de la trampa dentro de una cámara de vacío en los Laboratorios Nacionales Sandia. Crédito: Craig Fritz, Laboratorios Nacionales Sandia
Con suficiente hardware de control, Enchilada Trap podría almacenar y transportar hasta 200 qubits utilizando una red de cinco zonas de captura inspirada en su predecesora, Roadrunner Trap. Ambas versiones se producen en las instalaciones de ingeniería, ciencia y aplicaciones de microsistemas de Sandia.
Según Daniel Stick, científico de Sandia e investigador principal del Quantum Systems Accelerator, una computadora cuántica con hasta 200 qubits y las tasas de error actuales no superará a una computadora convencional en la resolución de problemas útiles. Sin embargo, permitirá a los investigadores probar una arquitectura multi-qubit que en el futuro admitirá algoritmos cuánticos más sofisticados para física, química, ciencia de datos, ciencia de materiales y otras áreas.
«Estamos brindando espacio para que el campo de la computación cuántica crezca y explore máquinas más grandes y programación más complicada», dijo Stick.
Ray Haltli, ingeniero eléctrico de Sandia National Laboratories, optimiza los parámetros antes de colocar enlaces de alambre de oro en una trampa de iones. Cuando está lista, la máquina funciona automáticamente, colocando hasta siete hilos por segundo. Crédito: Craig Fritz, Laboratorios Nacionales Sandia
Un diseño orientado al futuro
Sandia ha investigado, construido y probado trampas de iones durante 20 años. Para superar una serie de desafíos de diseño, el equipo combinó conocimiento institucional con innovaciones.
Por un lado, necesitaban espacio para almacenar más iones y una forma de reorganizarlos para realizar cálculos complejos. La solución fue una red de electrodos que se ramifican de manera similar a un árbol genealógico o un torneo. Cada rama estrecha sirve como lugar para almacenar y transportar iones.
Sandia había experimentado con uniones similares en trampas anteriores. La trampa Enchilada utiliza el mismo diseño en forma de teja para poder explotar las propiedades de escala de una trampa más pequeña. Stick cree que la arquitectura ramificada es actualmente la mejor solución para reorganizar los qubits de iones atrapados y anticipa que en el futuro, versiones aún más grandes de la trampa presentarán un diseño similar.
Otra preocupación fue la disipación de energía eléctrica en la Trampa de Enchilada, que podría generar un calor significativo, lo que provocaría una mayor desgasificación de las superficies, un mayor riesgo de falla eléctrica y niveles elevados de ruido del campo eléctrico. Para solucionar este problema, los expertos en producción han diseñado nuevas funciones microscópicas para reducir la capacitancia de determinados electrodos.
«Nuestro equipo siempre está mirando hacia el futuro», dijo Zach Meinelt, integrador líder del proyecto de Sandia. “Colaboramos con científicos e ingenieros para aprender sobre el tipo de tecnología, características y mejoras de rendimiento que necesitarán en los próximos años. Luego diseñamos y fabricamos trampas para cumplir con estos requisitos y buscamos constantemente formas de mejorar aún más”.
La investigación fue financiada por el Departamento de Energía de Estados Unidos.
