Los nuevos qubits permanecen en «superposición»
Los nuevos qubits permanecen en «superposición» hasta 10 segundos y podrían ser una base prometedora para las computadoras cuánticas.
Los físicos del MIT
Han descubierto un nuevo bit cuántico, o » qubit «, en forma de pares de átomos en vibración conocidos como fermiones. Descubrieron que cuando los pares de fermiones se enfrían y quedan atrapados en una red óptica, las partículas pueden existir simultáneamente en dos estados: un extraño fenómeno cuántico conocido como superposición.
En este caso, los átomos tenían una superposición de dos estados vibratorios, en los que el par se tambaleaba uno contra el otro mientras también se balanceaba en sincronía, al mismo tiempo.
El equipo pudo mantener este estado de superposición entre cientos de pares de fermiones en vibración. Al hacerlo, lograron un nuevo «registro cuántico» o sistema de qubits, que parece ser robusto durante períodos de tiempo relativamente largos. El descubrimiento, publicado hoy en la revista Nature , demuestra que estos cúbits tambaleantes podrían ser una base prometedora para futuras la computación cuántica Revista NUVE
Un qubit representa una unidad básica de computación cuántica. Donde un bit clásico en las computadoras de hoy lleva a cabo una serie de operaciones lógicas a partir de uno de los dos estados, 0 o 1, un qubit puede existir en una superposición de ambos estados. Mientras se encuentra en este delicado estado intermedio, un qubit debería poder comunicarse simultáneamente con muchos otros qubits y procesar múltiples flujos de información a la vez, para resolver rápidamente problemas que a las computadoras clásicas les llevaría años procesar.
Hay muchos tipos de qubits, algunos de los cuales están diseñados y otros existen de forma natural. La mayoría de los qubits son notoriamente volubles, ya sea incapaces de mantener su superposición o no dispuestos a comunicarse con otros qubits.
En comparación, el nuevo qubit del equipo del MIT parece ser extremadamente robusto, capaz de mantener una superposición entre dos estados vibratorios, incluso en medio del ruido ambiental, hasta por 10 segundos. El equipo cree que los nuevos qubits vibrantes podrían interactuar brevemente y potencialmente llevar a cabo decenas de miles de operaciones en un abrir y cerrar de ojos.
“Estimamos que estos cúbits deberían tardar solo un milisegundo en interactuar, por lo que podemos esperar 10 000 operaciones durante ese tiempo de coherencia, lo que podría ser competitivo con otras plataformas”, dice Martin Zwierlein, profesor de física Thomas A. Frank en el MIT. . “Por lo tanto, existe una esperanza concreta de hacer que estos qubits se calculen”.
quibits temblando
Los físicos del MIT descubren que los pares de átomos pueden tener una superposición de dos estados vibracionales. Como dos péndulas oscilantes, los átomos pueden moverse sincronizados y uno contra el otro al mismo tiempo, lo que los convierte en qubits robustos para la computación cuántica. Crédito: Cortesía de los investigadores.
Accidentes felices
El descubrimiento del equipo inicialmente ocurrió por casualidad. El grupo de Zwierlein estudia el comportamiento de los átomos en densidades muy bajas y ultrafrías. Cuando los átomos se enfrían a temperaturas una millonésima parte de la del espacio interestelar y se aíslan a densidades una millonésima de la del aire, pueden surgir fenómenos cuánticos y nuevos estados de la materia.
Bajo estas condiciones extremas, Zwierlein y sus colegas estaban estudiando el comportamiento de los Fermión – Wikipedia, la enciclopedia libre Un fermión se define técnicamente como cualquier partícula que tiene un giro medio entero impar, como neutrones, protones y electrones.
En términos prácticos, esto significa que los fermiones son espinosos por naturaleza. Dos fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico, una propiedad conocida como el principio de exclusión de Pauli. Por ejemplo, si un fermión gira hacia arriba, el otro debe girar hacia abajo.
Los electrones son ejemplos clásicos de fermiones, y su exclusión mutua de Pauli es responsable de la estructura de los átomos y la diversidad de la tabla periódica de elementos, junto con la estabilidad de toda la materia del universo. Los fermiones también son cualquier tipo de átomo con un número impar de partículas elementales, ya que estos átomos también se repelerían entre sí de forma natural.
El equipo de Zwierlein estaba estudiando átomos fermiónicos de potasio-40. Enfriaron una nube de fermiones a 100 nanokelvins y usaron un sistema de láseres para generar una red óptica en la que atrapar los átomos. Ajustaron las condiciones para que cada pozo en la red atrapara un par de fermiones. Inicialmente, observaron que bajo ciertas condiciones, cada par de fermiones parecía moverse sincronizadamente, como una sola molécula.
Para investigar más a fondo este estado vibratorio, dieron una patada a cada par de fermiones, luego tomaron imágenes de fluorescencia de los átomos en la red y vieron que, de vez en cuando, la mayoría de los cuadrados de la red se oscurecían, reflejando pares unidos en una molécula. Pero a medida que continuaron tomando imágenes del sistema, los átomos parecieron reaparecer, de manera periódica, lo que indica que los pares oscilaban entre dos estados vibratorios cuánticos.
“A menudo, en la física experimental, tienes una señal brillante, y al momento siguiente se va al infierno, para nunca volver”, dice Zwierlein. “Aquí, se oscureció, pero luego volvió a brillar y se repitió. Esa oscilación muestra que hay una superposición coherente que evoluciona con el tiempo. Ese fue un momento feliz”.
“ Un zumbido bajo ”
Después de más imágenes y cálculos, los físicos confirmaron que los pares de fermiones mantenían una superposición de dos estados vibratorios, moviéndose simultáneamente juntos, como dos péndulas que se balancean en sincronía, y también en relación o uno contra el otro.
“Oscilan entre estos dos estados a unos 144 hercios”, señala Hartke. “Esa es una frecuencia que podías escuchar, como un zumbido bajo”.
El equipo pudo sintonizar esta frecuencia y controlar los estados vibratorios de los pares de fermiones, en tres órdenes de magnitud, aplicando y variando un campo magnético, a través de un efecto conocido como resonancia de Feshbach.
“Es como comenzar con dos péndulas que no interactúan y, al aplicar un campo magnético, creamos un resorte entre ellas y podemos variar la fuerza de ese resorte, separando lentamente la péndula”, dice Zwierlein.
De esta forma, pudieron manipular simultáneamente unos 400 pares de fermiones. Observaron que, como grupo, los qubits mantuvieron un estado de superposición durante hasta 10 segundos, antes de que los pares individuales colapsaran en uno u otro estado vibratorio.
“Demostramos que tenemos control total sobre los estados de estos qubits”, dice Zwierlein.
Para hacer una computadora cuántica funcional usando qubits vibrantes, el equipo tendrá que encontrar formas de controlar también pares de fermiones individuales, un problema que los físicos ya están cerca de resolver. El mayor desafío será encontrar una forma de que los qubits individuales se comuniquen entre sí. Para esto, Zwierlein tiene algunas ideas.
“Este es un sistema en el que sabemos que podemos hacer que dos qubits interactúen”, dice. “Hay formas de reducir la barrera entre los pares, para que se junten, interactúen y luego se dividan nuevamente, durante aproximadamente un milisegundo. Entonces, hay un camino claro hacia una puerta de dos qubits, que es lo que necesitarías para hacer una computadora cuántica”.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias | USAGov laInicio – Fundación Gordon y Betty Moore, la Susana-Gómez*EMI*Tuti* » Vannevar bush (icesi.edu.co)y laFundación Alexander von Humboldt: cooperación científica de excelencia – Ministerio Federal de Relaciones Exteriores (diplo.de)
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