En un pequeño laboratorio de Beijing, un grupo de investigadores ha dado un paso crucial hacia la creación de ordenadores cuánticos más eficientes. Con tan solo un sistema láser, lograron entrelazar dos tipos diferentes de cúbits. ¿Por qué esto es importante? Porque simplificar estos procesos podría ser el comienzo de una nueva era en computación cuántica, permitiendo que estas máquinas logren lo que los ordenadores actuales no pueden ni imaginar.
El avance, detallado en el artículo “Experimental Realization of Direct Entangling Gates between Dual-Type Qubits”, publicado en Physical Review Letters, representa un método innovador para trabajar con cúbits de tipo dual. Según el autor principal, Luming Duan, “este método permite reducir el coste y la complejidad de los circuitos cuánticos al eliminar conversiones innecesarias entre tipos de cúbits”.
¿Qué son los cúbits de tipo dual y por qué son tan importantes?
Un cúbit, la unidad básica de información en computación cuántica, puede estar en múltiples estados simultáneamente gracias al principio de superposición. Sin embargo, no todos los cúbits son iguales. Los cúbits de tipo dual combinan dos tipos diferentes de estados cuánticos en un mismo sistema, aumentando su versatilidad y reduciendo interferencias.
Tradicionalmente, los sistemas de computación cuántica usan diferentes especies de iones para evitar el ruido entre cúbits. Sin embargo, esto añade complicaciones. Los cúbits de tipo dual, en cambio, están codificados dentro de los mismos iones, como los niveles de energía hiperfinos de un ion Ba-137. Esto permite realizar operaciones con menos hardware adicional y, lo más importante, reducir los errores.
En palabras del equipo, “nuestra técnica puede disminuir el coste de hardware necesario al usar un único sistema láser de 532 nm para entrelazar ambos tipos de cúbits mediante transiciones Raman”.
Cómo se logró este avance
El experimento se realizó con una configuración controlada cuidadosamente. El equipo utilizó iones Ba-137 en una trampa de cuchilla, enfriándolos cerca del estado fundamental mediante técnicas como el enfriamiento Doppler. Los cúbits se codificaron en dos niveles diferentes: los estados hiperfinos S1/2 y D5/2.
Para entrelazar estos cúbits, se diseñó un sistema de láser con múltiples componentes de frecuencia que podían excitar ambos tipos simultáneamente. Esto, combinado con las oscilaciones colectivas de los iones, sirvió como un “puente cuántico” que generó el entrelazamiento. La fidelidad del estado de Bell logrado fue del 96,3%, una cifra comparable a los métodos tradicionales para cúbits del mismo tipo.
Este enfoque es revolucionario porque evita la necesidad de convertir los cúbits entre tipos diferentes antes de entrelazarlos, un proceso que hasta ahora era común, pero ineficiente. “Logramos puertas de entrelazamiento de tipo dual y de tipo igual con un rendimiento similar, lo que demuestra que no hay limitaciones fundamentales para aplicar este método en circuitos cuánticos prácticos”, afirmó el equipo.
¿Qué es el enfriamiento Doppler?
El enfriamiento Doppler es una técnica utilizada en física cuántica para reducir la energía cinética de partículas como átomos o iones, enfriándolos hasta cerca de su estado fundamental. Este método emplea láseres sintonizados ligeramente por debajo de la frecuencia de resonancia de la partícula. Al absorber los fotones, la partícula experimenta un retroceso que disminuye su movimiento. Este proceso es esencial para controlar sistemas cuánticos con precisión, como los cúbits en trampas de iones, y permite realizar experimentos avanzados como el entrelazamiento cuántico.
Implicaciones para la computación cuántica
El impacto potencial de esta técnica es enorme. Los sistemas cuánticos actuales enfrentan grandes desafíos relacionados con el error y la complejidad del hardware. Reducir estos factores no solo mejorará el rendimiento, sino que permitirá aplicaciones más amplias, desde redes cuánticas hasta corrección de errores.
En las redes cuánticas, donde se necesita entrelazar nodos separados por largas distancias, este método podría facilitar el proceso al minimizar el ruido entre cúbits. Por otra parte, en tareas de corrección de errores, las puertas de entrelazamiento de tipo dual podrían simplificar el diseño del circuito, reduciendo la profundidad del mismo.
El propio Luming Duan adelantó que, “en el futuro, planeamos aplicar esta técnica para realizar detección cuántica de estados intermedios en circuitos de corrección de errores y para construir nodos de redes cuánticas basadas en iones atrapados”.
Aunque los resultados son prometedores, aún hay margen de mejora. El principal reto radica en aumentar la estabilidad del sistema láser y la frecuencia de la trampa. Según el artículo, el rendimiento actual está limitado por los tiempos de descoherencia del láser (2,6 ms) y de los movimientos (4,1 ms).
El equipo también mencionó planes para optimizar los caminos ópticos y aplicar técnicas más avanzadas de estabilización. Esto no solo mejorará la fidelidad de las puertas de entrelazamiento, sino que también ampliará su aplicabilidad en escalas mayores. Los investigadores también señalaron que esta técnica puede integrarse en arquitecturas de computación cuántica existentes sin modificaciones significativas. Esto la convierte en una opción práctica para escalar la tecnología cuántica.
Referencias
- TChenxi Wang, Chuanxin Huang, Hongxuan Zhang, Hongyuan Hu, Zhichao Mao, Panyu Hou, Yukai Wu, Zichao Zhou, Luming Duan. Experimental Realization of Direct Entangling Gates between Dual-Type Qubits. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.010601.
Cortesía de Muy Interesante
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