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| Izquierda: Un conjunto híbrido de átomos de cesio (amarillo) y de rubidio (azul). Derecha: La capacidad de personalización de la técnica de los investigadores les permite colocar los átomos en cualquier lugar, lo que les permite crear esta imagen de los monumentos de Chicago Willis Tower y Cloud Gate. La barra de escala en ambas imágenes es de 10 micrómetros. Crédito: Hannes Bernien |
Los qubits, los bloques de construcción de los ordenadores cuánticos, pueden fabricarse a partir de muchas tecnologías diferentes. Una forma de fabricar un qubit es atrapar un solo átomo neutro en su lugar utilizando un láser enfocado, una técnica que ganó el Premio Nobel en 2018.
Pero para hacer un ordenador cuántico con qubits de átomos neutros, muchos átomos individuales deben ser atrapados en su lugar por muchos rayos láser. Hasta ahora, estas matrices solo se han construido a partir de átomos de un solo elemento, por la preocupación de que hacer una matriz de dos elementos sería prohibitivamente complejo.
Pero, por primera vez, los investigadores de la Universidad de Chicago han creado un conjunto híbrido de átomos neutros de dos elementos diferentes, lo que amplía considerablemente las posibles aplicaciones del sistema en la tecnología cuántica. Los resultados han sido financiados en parte por el instituto Quantum Leap Challenge Institute Hybrid Quantum Architectures and Networks (HQAN) de la NSF, y publicados en Physical Review X.
"Ha habido muchos ejemplos de tecnología cuántica que han adoptado un enfoque híbrido", dijo Hannes Bernien, investigador principal del proyecto y profesor adjunto de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago. "Pero aún no se han desarrollado para estas plataformas de átomos neutros. Estamos muy contentos de ver que nuestros resultados han provocado una respuesta muy positiva por parte de la comunidad, y que se están desarrollando nuevos protocolos que utilizan nuestras técnicas híbridas."
El doble de potencial
Mientras que los qubits fabricados por el hombre, como los circuitos superconductores, requieren un control de calidad para ser perfectamente consistentes, los átomos neutros fabricados a partir de un solo elemento tienen todos exactamente las mismas propiedades, lo que los convierte en candidatos ideales y consistentes para los qubits.
Pero como todos los átomos del conjunto tienen las mismas propiedades, es extremadamente difícil medir un solo átomo sin perturbar a sus vecinos: todos están en la misma frecuencia, por así decirlo.
"En los últimos años se han realizado varios experimentos que han demostrado que las plataformas de conjuntos atómicos son muy adecuadas para la simulación y la computación cuántica", explica Bernien. "Pero las mediciones en estos sistemas tienden a ser destructivas, ya que todos los átomos tienen las mismas resonancias. Este nuevo enfoque híbrido puede ser realmente útil en este caso".
En un conjunto híbrido formado por átomos de dos elementos diferentes, los vecinos más cercanos de cualquier átomo pueden ser átomos del otro elemento, con frecuencias completamente diferentes. Esto facilita a los investigadores la medición y manipulación de un solo átomo sin ninguna interferencia de los átomos que lo rodean.
También permite a los investigadores eludir una complicación habitual de las matrices atómicas: es muy difícil mantener un átomo en un lugar durante mucho tiempo.
"Cuando se hacen estos experimentos con los átomos individuales, en algún momento se pierden los átomos", dijo Bernien. "Y entonces siempre hay que reiniciar el sistema haciendo primero una nueva nube fría de átomos y esperando a que los átomos individuales vuelvan a ser atrapados por los láseres. Pero gracias a este diseño híbrido, podemos hacer experimentos con estas especies por separado. Podemos hacer un experimento con átomos de un elemento, mientras refrescamos los otros átomos, y luego cambiar para tener siempre qubits disponibles".
Fabricar un ordenador cuántico más grande
La matriz híbrida creada por el grupo de Bernien contiene 512 láseres: 256 cargados con átomos de cesio y 256 con átomos de rubidio. En lo que respecta a los ordenadores cuánticos, son muchos qubits: Google e IBM, cuyos ordenadores cuánticos están hechos de circuitos superconductores en lugar de átomos atrapados, sólo han llegado a unos 130 qubits. Aunque el dispositivo de Bernien todavía no es un ordenador cuántico, los ordenadores cuánticos hechos con matrices atómicas son mucho más fáciles de ampliar, lo que podría conducir a nuevos e importantes conocimientos.
"En realidad, no sabemos qué ocurre cuando se amplía un sistema muy coherente que se puede aislar muy bien del entorno", afirma Bernien. "Este enfoque del átomo atrapado puede ser una herramienta maravillosa para explorar los efectos cuánticos de los sistemas grandes en regímenes desconocidos".
La naturaleza híbrida de este conjunto también abre la puerta a muchas aplicaciones que no serían posibles con una sola especie de átomo. Dado que las dos especies son controlables de forma independiente, los átomos de un elemento pueden utilizarse como memoria cuántica, mientras que el otro puede emplearse para realizar cálculos cuánticos, asumiendo los papeles respectivos de la memoria RAM y de una CPU en un ordenador típico.
"Nuestro trabajo ya ha inspirado a los teóricos a pensar en nuevos protocolos para ello, que es exactamente lo que esperaba", dijo Bernien. "Espero que inspire a la gente a pensar en cómo se pueden utilizar estas herramientas para las mediciones y el control del estado. Ya hemos visto protocolos muy interesantes que nos interesa mucho implementar en estas matrices."
Crédito: Universidad de Chicago
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