Los físicos del MIT y la Universidad de Harvard han demostrado una nueva forma de manipular fragmentos cuánticos de materia. En un artículo publicado hoy en la revista Naturaleza , informan que utilizan un sistema de láseres finamente sintonizados para atrapar primero y luego ajustar las interacciones de 51 átomos individuales, o bits cuánticos.
Los resultados del equipo representan uno de los mayores conjuntos de bits cuánticos, conocidos como qubits, que los científicos han podido controlar individualmente. En el mismo tema de Naturaleza , un equipo de la Universidad de Maryland informa un sistema de tamaño similar que utiliza iones atrapados como bits cuánticos.
En el enfoque MIT-Harvard, los investigadores 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 excitados. El patrón se asemeja a un estado de magnetismo conocido como antiferromagnético,en el que se alinea el giro de cualquier otro átomo o molécula.
El equipo describe la matriz de 51 átomos como una computadora cuántica no genérica, que en teoría debería ser capaz de resolver cualquier problema de computación que se le presente, sino un "simulador cuántico": un sistema de bits cuánticos que puede diseñarse parasimular un problema específico o resolver una ecuación en particular, mucho más rápido que la computadora clásica 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 enredo. El nuevo simulador cuántico también podría ser la base para resolver problemas de optimización como el problema del vendedor ambulante, en el queun vendedor teórico debe determinar el camino más corto a seguir para visitar una lista dada de ciudades.Las pequeñas variaciones de este problema aparecen en muchas otras áreas de investigación, como la secuenciación del ADN, mover una punta de soldadura automática a muchos puntos de soldadura, oenrutamiento 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 agregar más ciudades, sería mucho más difícil, muy rápido", dice el coautor del estudio, VladanVuleti ?, el profesor de física Lester Wolfe en el MIT. "Para este tipo de problema, no necesita una computadora cuántica. Un simulador es lo suficientemente bueno como para simular el sistema correcto. Por lo tanto, creemos que estos algoritmos de optimización son las tareas más sencillasconseguir."
El trabajo se realizó en colaboración con los profesores de Harvard Mikhail Lukin y Markus Greiner; el científico visitante del MIT Sylvain Schwartz también es coautor.
Separado pero interactuando
Las computadoras cuánticas son en gran medida dispositivos teóricos que potencialmente podrían realizar cálculos inmensamente complicados en una fracción del tiempo que le tomaría a la computadora clásica más poderosa del mundo. Lo harían a través de qubits, unidades de procesamiento de datos que, a diferencia del binariobits de computadoras clásicas, pueden estar simultáneamente en una posición de 0 y 1. Esta propiedad cuántica de superposición permite que un solo qubit realice dos flujos de cómputo simultáneamente. Agregar qubits adicionales a un sistema puede acelerar exponencialmente los cálculos de una computadora.
Pero los obstáculos importantes han impedido que los científicos realicen una computadora cuántica completamente operativa. Uno de esos desafíos: cómo lograr que los qubits interactúen entre sí sin comprometerse con el entorno que los rodea.
"Sabemos que las cosas se vuelven clásicas muy fácilmente cuando interactúan con el entorno, por lo que necesita [qubits] para estar súper aislado", dice Vuleti ?, quien es miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica y del Centro MIT-Harvard paraÁtomos ultrafríos: "Por otro lado, necesitan interactuar fuertemente con otro qubit".
Algunos grupos están construyendo sistemas cuánticos con iones, o átomos cargados, como qubits. Atrapan o aíslan los iones del resto del ambiente usando campos eléctricos; una vez atrapados, los iones interactúan fuertemente entre sí. Pero muchas de estas interaccionesson muy repelentes, como imanes de orientación similar, y por lo tanto son difíciles de controlar, particularmente en sistemas con muchos iones.
Otros investigadores están experimentando con qubits superconductores: átomos artificiales fabricados para comportarse de manera cuántica. Pero Vuleti dice que tales qubits fabricados tienen sus desventajas en comparación con aquellos basados en átomos reales.
"Por definición, cada átomo es el 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, acoplamientos, etc.cetera "
Configuración de la trampa
Vuleti? Y sus colegas idearon un tercer enfoque para construir un sistema cuántico, usando átomos neutros, átomos que no tienen carga eléctrica, como qubits. A diferencia de los iones, los átomos neutros no se repelen entre sí, y tienen inherentementepropiedades idénticas, a diferencia de los qubits superconductores fabricados.
En trabajos anteriores, el grupo ideó una forma de atrapar átomos individuales, utilizando un rayo láser para enfriar primero una nube de átomos de rubidio para alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto, disminuyendo su movimiento hasta casi detenerse. Luego emplean un segundo láser, divididos 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. Luegoreorganice 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 el 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 qubits individuales. Para hacerlo, desactivaron temporalmente las frecuencias láser que originalmente atraparon los átomos,permitiendo que el sistema cuántico evolucione naturalmente.
Luego expusieron el sistema cuántico en evolución a un tercer rayo láser para tratar de excitar los átomos en lo que se conoce como un estado de Rydberg, un estado en el que uno de los electrones de un átomo se excita a una energía muy alta en comparación con el restode los electrones del átomo. Finalmente, volvieron a encender los rayos láser que atrapaban 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 en el que cada segundo átomo se excita", dice Vuleti? ".los átomos hacen una transición de fase cuántica a algo similar a un antiferromagnet ".
La transición se lleva a cabo solo en todos los demás átomos debido al hecho de que los átomos en los estados de Rydberg interactúan muy fuertemente entre sí, y se necesitaría mucha más energía para excitar dos átomos vecinos a los estados de Rydberg de lo que el láser puede proporcionar.
¿Vuleti? Dice que los investigadores pueden cambiar las interacciones entre los átomos cambiando la disposición de los átomos atrapados, así como la frecuencia o el color del rayo láser que excita los átomos. Además, el sistema puede expandirse fácilmente.
"Creemos que podemos escalarlo hasta unos pocos cientos", dice Vuleti. "Si desea utilizar este sistema como una computadora cuántica, se vuelve interesante del orden de 100 átomos, dependiendo de qué sistema estétratando de simular "
Por ahora, los investigadores planean probar el sistema de 51 átomos como un simulador cuántico, específicamente en problemas de optimización de planificación de rutas que pueden resolverse usando la computación cuántica adiabática, una forma de computación cuántica propuesta por primera vez por Edward Farhi, elCecil e Ida Green Profesor de Física en el MIT.
La computación cuántica adiabática propone que el estado fundamental de un sistema cuántico describe la solución al problema de interés. Cuando ese sistema puede evolucionar para producir el problema en sí, el estado final del sistema puede confirmar la solución.
"Puede comenzar preparando el sistema en un estado simple y conocido de energía más baja, por ejemplo, todos los átomos en sus estados fundamentales, luego deformarlo lentamente para representar el problema que desea resolver, por ejemplo, el problema del vendedor ambulante,"Vuleti? Dice." Es un cambio lento de algunos parámetros en el sistema, que es exactamente lo que hacemos en este experimento. Por lo tanto, nuestro sistema está orientado a estos problemas de computación cuántica adiabáticos ".
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación del Ejército y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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