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    Los físicos mezclan ondas en qubits superconductores

    Crédito:MIPT

    Físicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) y Royal Holloway, Universidad de londres, han demostrado un efecto conocido como mezcla de ondas cuánticas en un átomo artificial. Sus resultados, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , podría ayudar a desarrollar la electrónica cuántica de un tipo completamente nuevo.

    Investigadores del Laboratorio de Sistemas Cuánticos Artificiales del MIPT, dirigido por el profesor Oleg Astafiev, se unieron a sus colegas británicos para examinar un sistema cuántico superconductor. que es físicamente equivalente a un solo átomo. Enfriado a temperaturas ultrabajas, este dispositivo emitió y absorbió un solo cuanto de radiación de microondas, de la misma manera que un átomo interactúa con los fotones de luz.

    Átomos artificiales, que están en el corazón de este estudio, son un elemento básico de los experimentos de óptica cuántica. Los físicos utilizan estos sistemas para investigar los procesos que de otro modo serían difíciles de estudiar, como la emisión y absorción de varios fotones. Mientras que un átomo real en la cavidad de un espejo emite luz en una dirección arbitraria, un sistema superconductor irradia de forma controlada. Esto permitió a los autores detectar la dispersión de varios cuantos de luz en un átomo artificial, o mezcla de ondas.

    En la salida del sistema descrito anteriormente, los investigadores observaron tanto la fuente de radiación como las ondas electromagnéticas resultantes de su interacción con el átomo artificial. Las frecuencias de estas ondas fueron determinadas por la naturaleza de la excitación involucrada. Esto apuntó al efecto de la mezcla de ondas cuánticas, que no se había observado antes en sistemas de este tipo.

    El gráfico de arriba muestra los resultados del experimento:las frecuencias de onda se trazan en el eje horizontal contra la intensidad de la radiación en el eje vertical. Los dos picos más altos corresponden a las frecuencias de radiación de la fuente. Los picos etiquetados en rosa, naranja, y el violeta se atribuyen al fenómeno de la mezcla de ondas cuánticas en un solo átomo. El gráfico superior ilustra el experimento utilizando un átomo artificial con dos niveles de energía, mientras que el gráfico inferior corresponde al caso con tres niveles de energía. Crédito:MIPT

    El atractivo de los sistemas superconductores va más allá de su capacidad para revelar varios efectos ópticos cuánticos. Según los autores del artículo, el átomo artificial se duplica como un qubit, el elemento básico de una computadora cuántica. Los Qubits permiten cálculos utilizando unidades básicas de información diferentes de los bits convencionales. Mientras que una celda de memoria clásica almacena un uno o un cero, su análogo cuántico, el qubit, puede estar en ambos estados al mismo tiempo debido a un principio conocido como superposición.

    "Nuestro artículo informa los hallazgos de un experimento que demuestra efectos inusuales de mezcla de ondas en un solo átomo artificial en el rango de frecuencia de gigahercios. Examinamos un qubit fuertemente acoplado al campo electromagnético en la línea de transmisión y observamos la mezcla del estado cuántico fotónico preparado en el qubit con el de la luz coherente en la línea de transmisión, "dice el estudiante de doctorado del MIPT Aleksei Dmitriev, uno de los autores del estudio. Los físicos señalan que el efecto observado ofrece una forma de visualizar las estadísticas del estado cuántico de los fotones fuente. Esto podría encontrar aplicación en la computación cuántica, que se ha convertido en un campo de investigación candente en los últimos años.

    Las señales entrantes a través de una franja superconductora en el chip se muestran en azul. El átomo artificial se representa como un cuadrado en la parte inferior izquierda del chip. Está acoplado a la franja superconductora y al contacto con el suelo. Crédito:MIPT

    Las computadoras cuánticas se basan en la noción de que un objeto cuántico es capaz de estar en múltiples estados simultáneamente. Esta propiedad permite implementar algoritmos cuánticos, permitiendo a los investigadores abordar problemas que son virtualmente imposibles de resolver dentro de un período de tiempo razonable utilizando métodos clásicos. Adicionalmente, Los efectos cuánticos ya se utilizan en canales seguros de transmisión de datos que hacen imposible interceptar información sin que el remitente y el receptor lo sepan.

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