Brasil construye su primera trampa de iones fríos para computación cuántica

Tecnología desarrollada en la Universidad de São Paulo mantiene aisladas partículas de estroncio y abre el camino para la producción, manipulación y entrelazamiento de qubits

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Investigadores del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP) lograron, por primera vez en Brasil, atrapar iones fríos en una trampa, utilizando únicamente campos eléctricos para mantener átomos con carga eléctrica confinados en una región muy pequeña del espacio. El experimento, realizado con iones de estroncio, representa un primer paso para el desarrollo en el país de una de las principales plataformas utilizadas en la computación cuántica.

El experimento fue liderado por Amilson Rogelso Fritsch, Joven Investigador apoyado por la FAPESP en el marco del Programa QuTIa, sigla de Quantum Technologies Initiative. Los resultados se obtuvieron apenas 18 meses después del inicio del proyecto.

“Como los iones poseen carga eléctrica, pueden ser atraídos o repelidos por campos eléctricos. Nuestra trampa genera fuerzas capaces de impedir que escapen en cualquier dirección. Esto se logró mediante un campo eléctrico que oscila a aproximadamente 18 megahercios, es decir, 18 millones de veces por segundo. La oscilación es tan rápida que los iones simplemente no consiguen acompañar los sucesivos cambios del campo. El efecto promedio de las fuerzas mantiene las partículas confinadas y alineadas en el eje central de la trampa”, describe Fritsch.

El sistema empleado se denomina “trampa de Paul”. Recibió este nombre en homenaje al físico alemán Wolfgang Paul (1913-1993), que no debe confundirse con el físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958), uno de los “papas” de la teoría cuántica. En la década de 1950, Paul desarrolló la técnica de confinar partículas cargadas mediante campos eléctricos oscilantes, lo que le valió, en 1989, el Premio Nobel de Física.

Otra estrategia empleada para atrapar iones es la “trampa de Penning”, ya utilizada por el grupo liderado por Claudio Lenz Cesar, profesor de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ). A diferencia de la trampa de Paul, la trampa de Penning no se basa en campos eléctricos oscilantes, sino en un campo eléctrico estático asociado a un campo magnético.

“Nuestro experimento, basado en la trampa de Paul, comienza con átomos neutros de estroncio, a cada uno de los cuales se le extrae un electrón mediante haces de láser, produciendo iones positivos. Estos se colocan en una cámara de ultraalto vacío. Esto es fundamental, porque las colisiones con moléculas del aire podrían expulsarlos de la trampa o perturbar los delicados estados cuánticos que se pretende controlar. Los electrodos que forman la trampa se encuentran dentro de la cámara, aunque el conjunto funciona a temperatura ambiente”, informa Fritsch.

La trampa fue construida íntegramente en Brasil e instalada en un laboratorio del IFSC-USP. La expectativa es avanzar desde la captura de los iones hasta su manipulación como bits cuánticos, o qubits, y realizar las primeras operaciones de procesamiento cuántico en los próximos meses. “Ahora, con el éxito en el atrapamiento de iones, la investigación brasileña está en el mapa. Este es uno de los hardware necesarios para el desarrollo de la computación cuántica”, afirma con entusiasmo el físico Vanderlei Bagnato, profesor titular del IFSC-USP y coordinador del Centro de Investigación en Óptica y Fotónica (CEPOF), que hasta junio fue un Centro de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID, por sus siglas en portugués) apoyado por la FAPESP.

La computación cuántica puede implementarse mediante diferentes plataformas físicas. Entre las más desarrolladas se encuentran los circuitos superconductores y los iones atrapados. En este último caso, el propio átomo ionizado funciona como soporte físico de la información. Estados internos bien definidos del ion pueden representar los valores 0 y 1 y, gracias a las propiedades de la mecánica cuántica, también las posibles superposiciones de estos dos estados. Varios iones pueden, además, entrelazarse, permitiendo operaciones que no tienen un equivalente directo en las computadoras convencionales.

El entrelazamiento hace que dos o más qubits pasen a compartir un único estado cuántico, de modo que las operaciones realizadas sobre uno de ellos modifiquen la configuración del conjunto. Este recurso puede utilizarse para construir puertas lógicas, elementos fundamentales en cualquier procesamiento computacional.

“Esta capacidad superior no significa que las computadoras cuánticas vayan simplemente a sustituir a las actuales o que sean más rápidas para cualquier tarea. Su gran potencial reside en determinadas clases de problemas para los cuales fenómenos como la superposición y el entrelazamiento pueden aprovecharse computacionalmente. Un ejemplo particularmente importante es la simulación de átomos y moléculas, con posibles aplicaciones en el desarrollo de nuevos materiales y fármacos”, aclara Bagnato.

Sin embargo, para llegar a ese punto, primero es necesario resolver un problema aparentemente elemental: mantener un átomo individual inmóvil y aislado durante el tiempo suficiente para escribir, procesar y leer información en él. “Si no se mantiene de esta manera, no hay forma de utilizarlo como elemento de almacenamiento y procesamiento de información”, resume Bagnato.

Imagen real de los iones atrapados (foto: Amilson Rogelso Fritsch)

Jaula hecha de campos eléctricos

Fue precisamente esta etapa la que el equipo brasileño logró realizar con su versión de la “trampa de Paul”. En la dirección transversal, los iones quedan confinados por un campo eléctrico que oscila a alta frecuencia. Como el campo cambia de sentido muy rápidamente, los iones no pueden simplemente seguirlo y escapar: su movimiento promedio queda restringido a la región central de la trampa. En la dirección longitudinal, o axial, entra en acción otro campo eléctrico, estático, que impide que las partículas salgan por los extremos. Cuando se capturan varios iones, este confinamiento los mantiene en la región central, mientras que sus cargas positivas hacen que se repelan mutuamente. El resultado es una pequeña cadena: una secuencia de iones alineados, separados entre sí por unos pocos micrómetros.

“En las imágenes que obtuvimos, cada punto luminoso corresponde a un único ion de estroncio atrapado. Lo que vemos no es una representación gráfica del experimento, sino iones reales”, señala Fritsch. Añade que el número de partículas puede controlarse de acuerdo con el experimento. “Para determinadas aplicaciones, interesa trabajar con un único ion; para la computación cuántica, pueden formarse cadenas con varios de ellos. Como los iones se repelen eléctricamente y permanecen individualizados, es posible manipular cada uno de ellos por separado con haces de láser, realizando operaciones sobre iones específicos sin actuar directamente sobre los demás”.

A partir de este control individual, una partícula atrapada puede comenzar a transformarse en una unidad de procesamiento de información. “En una descripción simplificada, se eligen dos estados internos del ion para representar los valores 0 y 1. El estado fundamental puede corresponder al 0 y un determinado estado excitado, al 1. Un láser con una frecuencia ajustada con precisión permite promover la transición entre ambos. Si solo existiera la posibilidad de colocar cada ion en 0 o 1, en principio no habría en ello nada específicamente cuántico desde el punto de vista computacional. El salto se produce porque el láser también permite preparar el ion en una superposición de ambos estados”, explica Fritsch.

Una manera intuitiva y utilizada con frecuencia en artículos de divulgación para explicar la diferencia entre la computación clásica y la computación cuántica consiste en comparar el bit clásico con una moneda que ya ha caído sobre una mesa: muestra cara o cruz. El qubit se parece más a la moneda mientras gira y se tambalea antes de caer, con la salvedad de que la superposición cuántica no corresponde simplemente a un estado definido que todavía desconocemos. Su estado contiene simultáneamente componentes correspondientes a 0 y 1, en proporciones que determinan la probabilidad de cada resultado.

Sin embargo, al realizar la medición nunca se obtiene una mezcla de ambos: el resultado siempre es 0 o 1. En la descripción convencional de la mecánica cuántica, se dice que, en el acto de la medición, la superposición “colapsa” en uno de estos dos estados. Si el mismo estado se prepara y se mide muchas veces, algunas veces se obtendrá 0 y otras, 1. La frecuencia con la que aparece cada resultado permite determinar las probabilidades que caracterizaban la superposición antes de la medición. Así, si un determinado estado tiene un 70 % de probabilidad de dar como resultado 0 y un 30 % de dar como resultado 1, una única medición dará solamente 0 o 1; pero, al preparar y medir el mismo estado mil veces, se espera obtener aproximadamente 700 resultados 0 y 300 resultados 1.

Con varios qubits entra en escena otra propiedad esencial: el entrelazamiento, que crea correlaciones cuánticas entre ellos. Esto significa que la computadora puede dejar de tratar cada qubit como una unidad independiente y pasar a operar sobre el conjunto como un único sistema cuántico. La superposición hace que este sistema contenga varias combinaciones posibles de 0 y 1; el entrelazamiento establece relaciones entre estas combinaciones, de modo que dejan de variar independientemente unas de otras. El algoritmo manipula entonces estas posibilidades correlacionadas y hace que sus amplitudes cuánticas interfieran: algunas se refuerzan y otras se cancelan. El cálculo se construye precisamente para que, al final, aumente la probabilidad de los resultados que contienen la información buscada y disminuya la de los demás. Cuando se mide el sistema, la superposición colapsa y se obtiene un resultado. Para determinados problemas, esta forma de organizar y filtrar posibilidades puede proporcionar una gran ventaja frente a la computación clásica.

Pero, antes de eso...

Los iones deben enfriarse intensamente. En el sistema desarrollado en el IFSC-USP, se utilizan láseres para reducir la agitación de los iones a niveles correspondientes a temperaturas inferiores a un milikelvin, es decir, en las proximidades del cero absoluto. “Más importante que la temperatura en sí”, comenta Fritsch, “es llevar el movimiento de los iones muy cerca de su estado cuántico fundamental. Esto permite que los pulsos de láser empleados para escribir y manipular la información actúen de manera controlada, sin que el movimiento térmico de las partículas interfiera con el proceso”.

El estroncio resulta especialmente conveniente porque presenta diferentes transiciones electrónicas útiles para estas tareas. Una transición relativamente ancha permite que el ion absorba y reemita muchos fotones, una propiedad importante para su enfriamiento y detección. Otra transición, extremadamente estrecha, puede funcionar como una especie de memoria: el estado excitado persiste durante el tiempo suficiente para que la información pueda manipularse y posteriormente leerse.

Todo este control se realiza con láseres focalizados, una tecnología consolidada en el CEPOF. Como los iones de una cadena están separados por algunos micrómetros, en principio es posible dirigir un haz hacia uno de ellos sin realizar exactamente la misma operación en los vecinos. Pulsos de duración controlada modifican el estado cuántico de cada partícula; secuencias más elaboradas permiten crear superposiciones y, posteriormente, entrelazar los qubits.

Una capacidad que faltaba

El resultado también tiene una dimensión relacionada con el desarrollo de capacidades científicas. Brasil ya ha acumulado una experiencia considerable en áreas afines, como el enfriamiento y el atrapamiento de átomos neutros. Sin embargo, según Bagnato, aún faltaba desarrollar en el país la capacidad experimental para trabajar con iones atrapados orientada a este tipo de aplicaciones.

La infraestructura ya existente en el CEPOF fue decisiva para acelerar el trabajo. El grupo de São Carlos cuenta con una larga experiencia en el enfriamiento de átomos y dispone de equipos y conocimientos en óptica, láseres y sistemas de vacío que también son necesarios para trabajar con iones. “La infraestructura que el grupo tiene aquí hace posible que esto ocurra más rápidamente de lo que ocurriría en una universidad que no contara con esta tradición”, afirma Bagnato.

El proyecto comenzó en diciembre de 2024. Gran parte de los primeros 18 meses se destinó a la compra e instalación de los equipos y a la construcción de la propia trampa. El primer resultado concreto fue precisamente la producción y el confinamiento de los iones de estroncio y su observación. Aún no se ha publicado ningún artículo científico sobre el experimento.

El Programa QuTIa es una iniciativa de la FAPESP destinada al desarrollo de capacidades en tecnologías cuánticas. Fritsch recibió el Apoyo a Jóvenes Investigadores (JP) precisamente para implementar en el IFSC-USP esta nueva línea experimental. Según el científico, los resultados son prometedores y se espera una consolidación aún mayor del proyecto, dando inicio a esta nueva área de investigación en la USP.