Estos son los datos espectrales tridimensionales que el equipo obtuvo del qubit de electrones proxy, con modos de onda de espín correspondientes a cada "pico". Horizontalmente, el qubit sondea un estado fijo del conjunto nuclear. Verticalmente, el qubit ajusta el estado del conjunto nuclear. La asimetría espectral es un testigo de las correlaciones cuánticas entre núcleos. También es algo simbólico, ya que este trabajo es el resultado de casi dos décadas de esfuerzos continuos de investigación, por parte de los investigadores de Cambridge y muchos otros equipos, para llegar a esta demostración del conjunto nuclear entrelazado. Crédito: Gangloff et al.

Uno de los objetivos principales de los estudios de física cuántica es medir los estados cuánticos de grandes sistemas compuestos por muchas partículas que interactúan. Esto podría ser particularmente útil para el desarrollo de computadoras cuánticas y otros dispositivos de procesamiento de información cuántica.

Investigadores del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge han introducido recientemente un nuevo enfoque para medir los estados de espín de un conjunto nuclear, un sistema compuesto por muchas partículas que interactúan con propiedades cuánticas de larga duración. Este método, presentado en un artículo publicado en Nature Physics, funciona explotando la respuesta de este sistema a las excitaciones de espín colectivas.

"Para un conjunto denso de objetos cuánticos, como los espines, no es posible medir cada uno individualmente, para saber cómo interactúan entre sí", Claire Le Gall y Mete Atatüre, dos de los investigadores que llevaron a cabo el estudio, dijo Phys.org. "En cambio, uno puede buscar señales reveladoras en la respuesta colectiva del conjunto; un poco como el comportamiento de una bandada de pájaros podría decir algo sobre cómo las aves se relacionan entre sí. Nuestro sistema de interés es una bandada grande, o conjunto, de espines nucleares en un punto cuántico semiconductor".

En 2002, tres físicos de la Universidad de Harvard descubrieron que grandes conjuntos de espines nucleares en un punto cuántico semiconductor podrían ser anfitriones potenciales de memorias cuánticas de estado sólido, y luego publicaron su trabajo un año después. 19 años después, Le Gall, Atatüre y sus colegas probaron este tipo de conjunto nuclear utilizando un bit cuántico 'proxy', un espín de electrones que se acopla simultáneamente a todos los espines nucleares, como se informa en su último artículo.

"Logramos un hito significativo recientemente, cuando mostramos que los modos colectivos del conjunto nuclear (es decir, ondas de espín) podrían excitarse coherentemente a través del electrón", dijo Dorian Gangloff, el primer autor del artículo. "En nuestro nuevo estudio, nos propusimos utilizar estas ondas de espín activadas por electrones para cambiar el estado del conjunto nuclear y leerlo. Esto demostraría una forma básica de 'escritura' y 'lectura' a través de el espín del electrón".

La idea detrás del enfoque propuesto por los científicos de Cambridge es que el tipo de modo de onda de espín nuclear que puede ser activado por un espín de electrones depende del estado del conjunto nuclear que se está examinando. Por ejemplo, algunos modos de onda de giro aumentan la polarización de un conjunto (es decir, cuánto apuntan todos los giros hacia arriba) y otros la disminuyen. La fuerza relativa de estos dos tipos diferentes de modos de onda de espín depende de cuánto un conjunto ya 'apunta hacia arriba' o 'apunta hacia abajo'. La medición de ambos puede, por lo tanto, ofrecer información valiosa sobre cuánto cada espín nuclear, en promedio, ya está apuntando. hacia arriba o hacia abajo, lo que finalmente permite a los investigadores inferir poblaciones de espín.

"Pero hay más: si los espines nucleares han interactuado de antemano y han acumulado alguna información mutua, que en este caso puede ser de naturaleza cuántica, entonces el electrón, como un objeto cuántico con acoplamiento de uno a todos con estos núcleos, lo hará siente esta interacción preexistente", dijo Atatüre. "Esto modifica la fuerza de los modos de onda de espín que puede activar, y esto es lo que es completamente único en nuestro enfoque. Como resultado, al combinar las mediciones de múltiples modos de onda de espín, pudimos usar el electrón como 'testigo' por el enredo entre los núcleos del conjunto".

El método de los investigadores de observar sistemas de muchos cuerpos utilizando un qubit de espín de electrones 'proxy' abre nuevas e interesantes posibilidades para sondear conjuntos nucleares sin depender de lecturas de espín individuales. A diferencia de los métodos propuestos anteriormente, su enfoque aprovecha la conectividad nativa de un qubit proxy en interacción de contacto con un conjunto nuclear denso, y finalmente extrae información interesante de estos sistemas, incluidas sus propiedades cuánticas.

"Quizás una analogía con nuestro enfoque podría ser una orquesta, donde uno puede saber si los músicos están tocando bien juntos sin un conocimiento previo de cada instrumento por separado", dijo Le Gall. "Nuestro estudio también mostró por primera vez que un conjunto de espín nuclear en un punto cuántico semiconductor (entre las mejores fuentes de fotones individuales del mundo) puede albergar entrelazamientos de muchos espines y, por lo tanto, puede usarse como un gran recurso cuántico conectado eficientemente a luz."

En el futuro, la nueva técnica para probar los estados de espín de los conjuntos nucleares podría allanar el camino hacia el desarrollo de una nueva tecnología cuántica. El equipo de investigación ahora está tratando de diseñar los puntos cuánticos examinados en su artículo para garantizar que sus conjuntos de espines tengan una mayor coherencia y exhiban más propiedades cuánticas.

"Esto será fundamental si queremos utilizar núcleos de puntos cuánticos para una memoria cuántica", dijo Gangloff. "Una vez que logremos más coherencia, particularmente con una nueva generación de puntos cuánticos, basada en un método de crecimiento diferente, que muestre una mejora muy prometedora de cien veces sobre los puntos cuánticos utilizados hasta ahora, nuestros planes implican transformar los núcleos en estados cuánticos cada vez más controlados, entendiendo cómo se pierde el entrelazamiento y cómo se puede conservar en este sistema de muchos cuerpos, y demostrando que este recurso se puede utilizar en la computación cuántica y la comunicación cuántica".


Más información: Dorian A. Gangloff et al, Witnessing quantum correlations in a nuclear ensemble via an electron spin qubit, Nature Physics (2021). DOI: 10.1038/s41567-021-01344-7

J. M. Taylor et al, Long-Lived Memory for Mesoscopic Quantum Bits, Physical Review Letters (2003). DOI: 10.1103/PhysRevLett.90.206803

D. A. Gangloff et al, Quantum interface of an electron and a nuclear ensemble, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aaw2906