LA PERDIDA DE INFORMACION QUE FACILITA LA CREACION DE COMPUTADORAS CUANTICAS

Trampa iónica usada en el experimento. Los potenciales eléctricos se aplican a través de finos cables de oro en un chip y atrapan los iones en una pequeña ranura. NIST.

Un ingenioso sistema logra convertir en ventaja uno de los obstáculos en el desarrollo de ordenadores cuánticos, el deterioro por la interacción de los qubits con el entorno.

Uno de los grandes obstáculos en el desarrollo de computadoras cuánticas es la fragilidad de sus sistemas, lo que dificulta la obtención de dispositivos capaces de funcionar en condiciones reales y no solo en el entorno controlado de un laboratorio. Pero la pérdida de información cuando estos sistemas interactúan con su entorno puede pasar de ser un inconveniente a una ventaja, según dos nuevos estudios que acercan un poco más la computación cuántica a la realidad.

Los ordenadores convencionales emplean como unidad mínima de información el bit, que puede tomar un valor de cero o uno. La computación cuántica utiliza iones (átomos cargados) como bits cuánticos, llamados qubits. En analogía con los bits clásicos, el carácter binario de los qubits radica en un parámetro interno de las partículas subatómicas llamado espín. Este puede tomar valores de arriba o abajo, pero a diferencia de los bits convencionales, una propiedad cuántica llamada superposición permite a los qubits tomar ambos valores a un tiempo, lo que equivaldría a ejecutar múltiples operaciones de forma simultánea.

Una de las áreas de investigación en computación cuántica estudia una situación llamada entrelazamiento, que ocurre cuando se induce a dos qubits a que mantengan estados cuánticos vinculados superponiendo espines arriba-abajo y abajo-arriba al mismo tiempo. En computación cuántica, el entrelazamiento puede ser clave en los procesos de transporte de información y corrección de errores.

Sin embargo, los sistemas empleados adolecen de una gran fragilidad. El estado cuántico de un qubit, es decir, la información que porta, puede destruirse por el intercambio de energía al interactuar con su entorno, incluyendo la simple medición del sistema. Por ello, los investigadores se ven obligados a utilizar complejos sistemas de aislamiento para sus qubits.

Un equipo del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE.UU. (NIST, por sus siglas en inglés) dirigido por el ganador del Nobel de Física en 2012 David Wineland, en colaboración con el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague (Dinamarca), ha descubierto la manera de transformar este inconveniente en una ventaja. Los investigadores han conseguido que sea precisamente la pérdida de información al medio, es decir, la disipación de energía en forma de calor, la que facilite el entrelazamiento de dos qubits y por tanto mantenga la coherencia del sistema.

“Cuando se trabaja con información cuántica, normalmente se busca aislar el sistema del entorno para evitar una interacción perturbadora que destruya el frágil estado cuántico”, resume el coautor del estudio Anders Søndberg Sørensen, del Instituto Niels Bohr. “Pero esto es muy difícil de evitar por completo. Así que pensamos que quizás podríamos tomar el abordaje contrario y, en lugar de pensar en el decaimiento como un enemigo, mirarlo como a un amigo y tomar ventaja de él”.


“Con nuestro método dejamos que el sistema cuántico ‘hable’ con el exterior para crear un control de los saltos de los electrones, de manera que estén precisamente en el estado que queremos, y así hacemos uso de la interacción con el entorno”, explica el coautor del estudio Florentin Reiter, quien junto con Sørensen se ha encargado de diseñar el sistema.

Los investigadores han aplicado una teoría que ya se había demostrado para mantener un estado cuántico en un solo qubit, y que ellos han aplicado por primera vez a un entrelazamiento entre dos qubits. Según publica la edición digital de la revista Nature, se emplearon cuatro iones en secuencia. Dos de ellos, de berilio, actúan como qubits, mientras que otros dos más externos, de magnesio, ejercen como refrigerantes.

Aplicando haces láser, el sistema se enfría a una temperatura cercana al cero absoluto (-273oC), lo que fuerza la descarga de calor de los iones de magnesio. Los láseres y otros campos aplicados introducen estados cuánticos de espín no deseados en los qubits, lo que equivale a información inútil. El modo de eliminarla del sistema es despedirla mediante su acoplamiento a la disipación de calor de los iones de magnesio, lo que ayuda a destilar la información esencial en los qubits. El proceso crea un ciclo que estabiliza el entrelazamiento, situando a los qubits en un estado de mínima energía en el que ya no se ven afectados por los campos aplicados, por lo que no dejan escapar más información al exterior.

“El truco reside en la combinación de luz láser”, destaca Reiter. “Los electrones pueden estar en cuatro estados de energía y, si saltan y aterrizan en un estado incorrecto, simplemente son ‘pateados’ por el láser, y continuamos hasta que están donde se supone que deben. Así se produce un entrelazamiento perfecto. A diferencia de lo que ocurría antes, cuando tenías que utilizar pulsos de láser cuidadosamente diseñados para crear el entrelazamiento, ahora los investigadores pueden simplemente encender el láser, salir a por un café y, cuando vuelven, los electrones ya están en el estado correcto”.

Gracias a esta técnica, el entrelazamiento se logra en apenas unos milisegundos y se mantiene durante el 75% del tiempo del experimento. Para paliar el deterioro del sistema, los autores aplicaron un protocolo que repite el proceso 30 veces, lo que aumenta el tiempo de entrelazamiento hasta un 89%.

El coautor del estudio John Gaebler, del NIST, subraya la importancia del avance en el concepto tradicional de computador cuántico: “Estos nuevos métodos se podrían utilizar para crear estados entrelazados que serían un recurso en un computador cuántico de lógica tradicional”. Pero además, Gaebler cree que el hallazgo podría ayudar a diseñar nuevos enfoques de ordenadores cuánticos capaces de realimentarse: “Hay también arquitecturas alternativas en las que, por ejemplo, se acopla el computador cuántico a un ruido ambiental específico y el estado resultante del computador contiene la solución al problema abordado”.

En un segundo estudio publicado también en Nature, científicos del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Yale (EE.UU.) han logrado construir un sistema análogo que utiliza la realimentación por disipación de energía para estabilizar el entrelazamiento de dos qubits, que en este caso son circuitos superconductores. En su estudio, los autores destacan que estos sistemas de realimentación autónoma “serán una herramienta esencial para la implementación de la corrección de errores” en la computación cuántica.


Fuente: EFE