Empaquetan los qubits para alcanzar una mayor potencia en computación cuántica

La era de los ordenadores cuánticos está un paso más cerca, como resultado de una investigación publicada en la revista Science. Un equipo de la Universidad Estatal de Pensilvania (PSU, EE.UU.) ha ideado y demostrado una nueva forma de empaquetar mucha más potencia de computación cuántica en un espacio mucho más pequeño y con un control mucho mayor que hasta ahora.

El avance, utilizando una matriz de 3 dimensiones de átomos en estados cuánticos llamados bits cuánticos -o qubits-, ha sido realizado por David S. Weiss, profesor de física, y tres estudiantes de su laboratorio. "Nuestro resultado es uno de los muchos desarrollos importantes que siguen siendo necesarios en el camino hacia el logro de los ordenadores cuánticos, que serán de utilidad para hacer cálculos que son imposibles de hacer hoy, con aplicaciones en criptografía para la seguridad de datos electrónicos y otros campos de computación intensiva", explica en la nota de prensa de la universidad.

La nueva técnica utiliza tanto luz láser como microondas para controlar de forma precisa la conmutación de qubits individuales seleccionados de un estado cuántico a otro sin alterar los estados de los otros átomos en la matriz cúbica. La nueva técnica demuestra el uso potencial de los átomos como componentes básicos de los circuitos en los ordenadores cuánticos futuros.

Los científicos inventaron una forma innovadora para organizar y controlar los qubits. El artículo describe la nueva técnica, que el equipo de Weiss tiene previsto seguir desarrollando. El logro también se espera que sea útil para los científicos que persiguen otros enfoques para la construcción de una computadora cuántica, incluyendo los basados en otros átomos, en iones, o en sistemas de átomos similares en 1 o 2 dimensiones. "Si esta técnica se adopta en esas otras geometrías, también se obtendría la misma robustez", dice Weiss.

Para acorralar a sus átomos cuánticos en un dibujo de 3-D ordenado para sus experimentos, el equipo construyó una celosía hecha por haces de luz para atrapar y mantener los átomos en una disposición cúbica de cinco planos apilados -como un sándwich hecho con cinco rebanadas de pan-, cada uno con espacio para 25 átomos equidistantes.

La disposición forma un cubo con un patrón ordenado de localizaciones individuales para 125 átomos. Los científicos llenaron algunas de las posibles ubicaciones con qubits que constan de átomos de cesio neutrales -que no tienen carga positiva o negativa-. A diferencia de los bits en un ordenador clásico, que por lo general son ceros o unos, cada uno de los qubits del experimento del equipo de Weiss tiene la capacidad -difícil de imaginar- de estar en más de un estado a la vez: una característica central de la mecánica cuántica llamada superposición cuántica.

Luz

Weiss y su equipo utilizan otro tipo de herramienta de luz -haces cruzados de luz láser - para apuntar a los átomos individuales de la red. Enfocar estos dos rayos láser, llamados haces de "direccionamiento", en un átomo objetivo desplaza algunos de los niveles de energía de ese átomo alrededor de dos veces más que los de cualquiera de los otros átomos de la matriz, incluidos los que están en medio de una de los haces de direccionamiento en su camino hacia el objetivo.

Cuando los científicos bañan a continuación toda la matriz con un lavado uniforme de microondas, el estado del átomo con los niveles de energía desplazados cambia, mientras que los estados de todos los átomos no lo hacen.

"Hemos establecido más qubits en diferentes superposiciones cuánticas precisas al mismo tiempo que en cualquier sistema experimental anterior", dice Weiss. Los científicos también diseñaron su sistema para ser muy insensible a los detalles exactos de las alineaciones o a la potencia de los haces de luz utilizados, lo cual dice Weiss que es una buena cosa porque "no conviene depender de la intensidad exacta de la luz o de la alineación concreta".

Una de las maneras en que los científicos demostraron su capacidad para cambiar el estado cuántico de los átomos individuales fue cambiando los estados de átomos seleccionados en tres de los planos apilados dentro de la matriz cúbica con el fin de dibujar las letras P, S y U -las letras que representan a la Universidad Estatal de Pensilvania en inglés-.

"Cambiamos la superposición cuántica de los átomos de PSU para que fuera diferente de la superposición cuántica de los otros átomos de la matriz", dice Weiss. "Tenemos un sistema de fidelidad bastante alta. Podemos hacer selecciones específicas con una fiabilidad del 99,7%, y tenemos un plan para hacer que llegue al 99,99%."

Entre los objetivos que Weiss tiene para la investigación futura de su equipo es conseguir que los qubits "tengan funciones de onda cuántica entrelazadas en las que el estado de una partícula esté implícitamente correlacionado con el estado de las otras partículas a su alrededor."

Weiss dice que esta conexión entrelazada entre qubits es un elemento crítico necesario para la computación cuántica, y espera que el desarrollo de las técnicas mostradas en el prototipo de su equipo permitirá finalmente a su laboratorio llevar a cabo operaciones de entrelazamiento de alta calidad para la computación cuántica.

"Llenar el cubo con exactamente un átomo por sitio y crear entrelazamientos entre los átomos en cualquiera de los sitios que elegimos son algunos de nuestros objetivos de investigación a más corto plazo", dice Weiss.

Referencia bibliográfica:

Y. Wang, A. Kumar, T.-Y. Wu, D. S. Weiss: Single-qubit gates based on targeted phase shifts in a 3D neutral atom array. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aaf2581.