Las computadoras cuánticas son en gran medida dispositivos hipotéticos que podrían realizar algunos cálculos mucho más rápidamente que las computadoras convencionales. Explotan una propiedad llamada superposición, que describe la capacidad contraintuitiva de una partícula cuántica para, en cierto sentido, habitar más de un estado físico en el mismohora.
Pero la superposición es frágil, y encontrar formas de preservarlo es uno de los principales obstáculos para desarrollar grandes computadoras cuánticas de uso general. En la actualidad Naturaleza , los investigadores del MIT describen un nuevo enfoque para preservar la superposición en una clase de dispositivos cuánticos construidos con diamantes sintéticos. El trabajo podría en última instancia ser un paso importante hacia computadoras cuánticas confiables.
En la mayoría de los campos de ingeniería, la mejor manera de mantener la estabilidad de un sistema físico es el control de retroalimentación. Usted realiza una medición, la trayectoria actual de un avión o la temperatura de un motor, y sobre esa base produce un controlseñal que empuja el sistema hacia su estado deseado.
El problema con el uso de esta técnica para estabilizar un sistema cuántico es que la medición destruye la superposición. Por lo tanto, los investigadores de computación cuántica tradicionalmente han tenido que hacerlo sin retroalimentación.
"Típicamente, lo que la gente hace es usar lo que se llama control de lazo abierto", dice Paola Cappellaro, profesora asociada de Ciencia e Ingeniería Nuclear de Esther y Harold Edgerton en el MIT y autora principal del nuevo documento. "Usted decide a prioricómo controlar su sistema y luego aplicar su controlador y esperar lo mejor: que sabía lo suficiente sobre su sistema para que el control que aplicara hiciera lo que pensaba que debería. La retroalimentación debería ser más sólida, ya que le permite adaptarse a lo que hayyendo mal."
en el Naturaleza artículo, Cappellaro y su ex estudiante de doctorado Masashi Hirose, quien se graduó el año pasado y ahora está con McKinsey and Company en Tokio, describen un sistema de control de retroalimentación para mantener la superposición cuántica que no requiere medición ". En lugar de tener un controlador clásico paraimplementar la retroalimentación, ahora usamos un controlador cuántico ", explica Cappellaro." Debido a que el controlador es cuántico, no necesito hacer una medición para saber qué está pasando ".
expresión vacante
El sistema de Cappellaro e Hirose utiliza un denominado centro de vacantes de nitrógeno en el diamante. Un diamante puro consiste en átomos de carbono dispuestos en una estructura de celosía regular. Si falta un núcleo de carbono en la celosía donde se esperaría, es una vacanteSi un átomo de nitrógeno toma el lugar de un átomo de carbono en la red, y resulta ser adyacente a una vacante, ese es un centro de vacante de nitrógeno NV.
Asociado con cada centro NV hay un grupo de electrones de los átomos adyacentes, que, como todos los electrones, tienen una propiedad llamada espín que describe su orientación magnética. Cuando se somete a un campo magnético fuerte, por ejemplo, de un imán permanentecolocado sobre el diamante: el giro electrónico de un centro NV puede estar arriba, abajo o una superposición cuántica de los dos. Por lo tanto, puede representar un bit cuántico o "qubit", que difiere de un bit de computadora ordinario en su capacidad para tomarno solo en los valores 1 o 0, sino en ambos al mismo tiempo
Los centros NV tienen varias ventajas sobre otros qubits candidatos. Son una característica intrínseca de una estructura física, por lo que prescinden del complejo hardware para atrapar iones o átomos que requieren otros enfoques. Y los centros NV son emisores de luz naturales, lo que hace quees relativamente fácil leer información de ellos. De hecho, las partículas de luz emitidas por un centro NV pueden estar en superposición, por lo que proporcionan una forma de mover la información cuántica.
control local
Al igual que los electrones, los núcleos atómicos tienen espín, y Cappellaro e Hirose usan el estado de espín del núcleo de nitrógeno para controlar el espín electrónico del centro NV. Primero, una dosis de microondas pone el espín electrónico en superposición. Luego, una ráfaga de radiofrecuenciala radiación pone el núcleo de nitrógeno en un estado de giro específico.
Una segunda dosis de microondas de menor potencia "enreda" los espines del núcleo de nitrógeno y el centro NV, de modo que se vuelven dependientes entre sí. En este punto, el qubit NV podría, junto con otros qubits, enlistarserealizar un cálculo. Pero en sus experimentos, Cappellaro e Hirose estaban evaluando un solo qubit, por lo que solo podían probar la operación computacional más rudimentaria: la puerta no, que invierte un valor de un bit.
Debido a que los espines del núcleo de nitrógeno y el centro de NV están enredados, si algo sale mal durante el cálculo, se reflejará en el giro del núcleo de nitrógeno.
Después de realizar el cálculo, una tercera dosis de microondas, cuya polarización se rota con respecto a la del segundo, desenreda el núcleo y el centro NV. Los investigadores someten el sistema a una secuencia final de exposiciones a microondas.Sin embargo, las exposiciones se calibran para que su efecto en el centro NV dependa del estado del núcleo de nitrógeno. Si se produce un error durante el cálculo, las microondas lo corregirán; si no, dejarán el estado del centro NV inalterado.
En experimentos, los investigadores descubrieron que, con su sistema de control de retroalimentación, un bit cuántico del centro NV permanecería en superposición aproximadamente 1,000 veces más tiempo que sin él.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Larry Hardesty. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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