Una nueva técnica simplifica la manipulación de bits cuánticos

   MADRID, 30 Nov. (EUROPA PRESS) -

   Físicos del MIT y la Universidad de Harvard han demostrado una nueva forma de manipular bits cuánticos de la materia. que representa un importante avance para el cálculo y el proceso de datos con esta tecnología.

   En un artículo publicado en la revista 'Nature', informan de que han usado un sistema de láseres finamente sintonizados para capturar primero y luego modificar las interacciones de 51 átomos individuales o bits cuánticos.

   Los resultados del equipo representan una de las mayores matrices de bits cuánticos, conocidos como qubits, que los científicos han podido controlar individualmente, según los propios autores. En el mismo número de 'Nature', un equipo de la Universidad de Maryland, también en Estados Unidos, expone un sistema de tamaño similar que utiliza iones atrapados como bits cuánticos.

   En el enfoque MIT-Harvard, los científicos generaron una cadena de 51 átomos y los programaron para someterse a una transición de fase cuántica, en la que todos los demás átomos de la cadena estaban activados. El patrón se asemeja a un estado de magnetismo conocido como antiferromagnetismo, en el cual el giro de cada otro átomo o molécula está alineado.

   El equipo describe el conjunto de 51 átomos como un ordenador cuántico no genérico, que teóricamente debería ser capaz de resolver cualquier problema de cálculo que se le plantee, sino un "simulador cuántico": un sistema de bits cuánticos que puede diseñarse para simular un problema específico o resolver una ecuación en particular, mucho más rápido que el ordenador clásico más rápida.

   Por ejemplo, el equipo puede reconfigurar el patrón de átomos para simular y estudiar nuevos estados de la materia y fenómenos cuánticos como el entrelazamiento. El nuevo simulador cuántico también podría ser la base para resolver problemas de optimización, como el problema del vendedor ambulante, en el cual un vendedor teórico debe encontrar el camino más corto para visitar una lista dada de ciudades.

   Pequeñas variaciones de este problema aparecen en muchas otras áreas de investigación, como la secuenciación de ADN, el traslado de una punta de soldadura automática a muchos puntos de soldadura o el enrutamiento de paquetes de datos a través de nodos de procesamiento.

   "Este problema es exponencialmente difícil para una computadora clásica, lo que significa que podría resolver esto para un cierto número de ciudades, pero si quisiera añadir más ciudades, sería mucho más difícil y muy rápido", dice en un comunicado el coautor del estudio Vladan Vuleti, profesor de Física en el MIT.

   "Para este tipo de problema, no se necesita un ordenador cuántico. Un simulador es lo suficientemente bueno para imitar el sistema correcto. Por lo tanto, creemos que estos algoritmos de optimización son las tareas más sencillas de lograr", agrega este autor del trabajo, que se realizó en colaboración con los profesores de Harvard Mikhail Lukin y Markus Greiner, y el científico visitante del MIT Sylvain Schwartz.

SEPARADO, PERO INTERACTUANDO

   Los ordenadores cuánticos son, en gran medida, dispositivos teóricos que podrían llevar a cabo cálculos inmensamente complicados en una fracción del tiempo que llevaría al ordenador clásico más poderoso del mundo. Lo harían a través de qubits, unidades de procesamiento de datos que, a diferencia de los bits binarios de las computadoras clásicas, pueden estar simultáneamente en una posición de 0 y 1.

   Esta propiedad cuántica de superposición permite que un solo qubit lleve a cabo dos flujos separados de computación simultáneamente. Agregar qubits adicionales a un sistema puede acelerar exponencialmente los cálculos de un ordenador. Pero los principales obstáculos han impedido a los científicos realizar un ordenador cuántico totalmente operativo. Uno de esos desafíos es cómo hacer que los qubits interactúen entre sí sin comprometerse con su entorno.

   "Sabemos que las cosas se vuelven clásicas con mucha facilidad cuando interactúan con el medio ambiente, por lo que necesita [qubits] para estar súper aislado", dice Vuleti, miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica y del Centro Harvard-MIT para Átomos Ultrafríos. "Por otro lado, necesitan interactuar fuertemente con otro qubit", agrega.

   Algunos grupos están construyendo sistemas cuánticos con iones o átomos cargados como qubits. Atrapan o aíslan los iones del resto del entorno usando campos eléctricos; una vez atrapados, los iones interactúan fuertemente entre sí. Pero muchas de estas interacciones son fuertemente repelentes, como imanes de orientación similar y, por lo tanto, son difíciles de controlar, particularmente en sistemas con muchos iones.

   Otros científicos están experimentando con qubits superconductores: átomos artificiales fabricados para comportarse de forma cuántica. Pero Vuleti dice que este tipo de qubits fabricados tienen sus desventajas en comparación con los basados en átomos reales.

   "Por definición, cada átomo es lo mismo que cualquier otro átomo de la misma especie --dice Vuleti--. Pero cuando los construyes a mano, entonces tienes influencias de fabricación, como frecuencias de transición ligeramente diferentes, acoplamientos, etcétera".

   Vuleti y sus colegas idearon un tercer enfoque para construir un sistema cuántico, utilizando átomos neutros (átomos que no tienen carga eléctrica) como qubits. A diferencia de los iones, los átomos neutros no repelen otros, y tienen propiedades intrínsecamente idénticas, a diferencia de los qubits superconductores fabricados.

   En trabajos anteriores, el grupo ideó una forma de atrapar átomos individuales, mediante el uso de un rayo láser para enfriar primero una nube de átomos de rubidio hasta temperaturas cercanas al cero absoluto, ralentizando su velocidad de movimiento a punto de paralizarse. Entonces, emplean un segundo láser, dividido en más de 100 haces, para atrapar y mantener átomos individuales en su lugar.

   Son capaces de obtener imágenes de la nube para ver qué rayos láser han atrapado un átomo y pueden apagar ciertos haces para descartar esas trampas sin un átomo. Luego, reorganizan todas las trampas con átomos para crear una matriz ordenada de qubits sin defectos.

   Con esta técnica, los investigadores han podido construir una cadena cuántica de 51 átomos, todos atrapados en su estado fundamental o a nivel de energía más bajo. En su nuevo documento, el equipo informa que va un paso más allá, para controlar las interacciones de estos 51 átomos atrapados, un paso necesario para manipular los qubits individuales.

   Para hacerlo, apagaron temporalmente las frecuencias láser que originalmente atraparon los átomos, permitiendo que el sistema cuántico evolucionara naturalmente. Entonces, expusieron el sistema cuántico en evolución a un tercer rayo láser para tratar de excitar los átomos en lo que se conoce como estado Rydberg: un estado en el que uno de los electrones de un átomo se excita a una energía muy alta en comparación con el resto de los electrones del átomo.

   Finalmente, volvieron a encender los rayos láser que atrapan átomos para detectar los estados finales de los átomos individuales. "Si todos los átomos comienzan en el estado fundamental, resulta que cuando tratamos de poner todos los átomos en este estado excitado, el estado que emerge es uno donde cada segundo átomo está excitado --describe Vuleti--. Entonces los átomos hacen una transición de fase cuántica a algo similar a un antiferromagnetismo".

   La transición tiene lugar solo en todos los demás átomos debido al hecho de que los átomos en los estados de Rydberg interactúan muy fuertemente entre sí, y tomaría mucha más energía para excitar dos átomos vecinos a los estados Rydberg de lo que el láser puede proporcionar. Vuleti dice que los investigadores pueden cambiar las interacciones entre los átomos al modificar la disposición de los átomos atrapados, así como la frecuencia o el color del rayo láser que activa los átomos. Además, el sistema se puede ampliar fácilmente.