¿Cómo se puede almacenar la información cuántica el mayor tiempo posible? Un equipo de investigación de TU Wien ha logrado un importante paso adelante en el desarrollo de las memorias cuánticas.

Las memorias convencionales utilizadas en las computadoras actuales solo diferencian entre los valores de bits 0 y 1. En física cuántica, sin embargo, son posibles superposiciones arbitrarias de estos dos estados. La mayoría de las ideas para nuevos dispositivos de tecnología cuántica se basan en este "principio de superposición". Uno de los principales desafíos al utilizar estos estados es que, por lo general, son de corta duración. Solo durante un corto período de tiempo se puede leer la información de las memorias cuánticas de manera confiable, después de eso es irrecuperable.

Un equipo de investigación de TU Wien ha dado un importante paso adelante en el desarrollo de nuevos conceptos de almacenamiento cuántico. En cooperación con el gigante japonés de las telecomunicaciones NTT, los investigadores vieneses liderados por Johannes Majer están trabajando en memorias cuánticas basadas en átomos de nitrógeno y microondas. Los átomos de nitrógeno tienen propiedades ligeramente diferentes, lo que conduce rápidamente a la pérdida del estado cuántico. Al cambiar específicamente una pequeña porción de los átomos, uno puede llevar los átomos restantes a un nuevo estado cuántico, con una mejora de por vida de más de un factor de diez. Estos resultados ya se han publicado en la revista Fotónica de la naturaleza .

Nitrógeno en diamante

"Utilizamos diamantes sintéticos en los que se implantan átomos de nitrógeno individuales", explica el líder del proyecto Johannes Majer del Instituto de Física Atómica y Subatómica de TU Wien. "El estado cuántico de estos átomos de nitrógeno se combina con las microondas, dando como resultado un sistema cuántico en el que almacenamos y leemos información ".

Sin embargo, el tiempo de almacenamiento en estos sistemas es limitado debido al ensanchamiento no homogéneo de la transición de microondas en los átomos de nitrógeno del cristal de diamante. Después de aproximadamente medio microsegundo, el estado cuántico ya no se puede leer de manera confiable, la señal real se pierde. Johannes Majer y su equipo utilizaron un concepto conocido como "quema de agujeros espectrales", permitir que los datos se almacenen en el rango óptico de medios ampliados de manera no homogénea, y lo adaptó para circuitos cuánticos supraconductores y memorias cuánticas de espín.

Dmitry Krimer, Benedikt Hartl y Stefan Rotter (Instituto de Física Teórica, TU Wien) han demostrado en su trabajo teórico que tales estados, que están en gran parte desacoplados del ruido perturbador, también existen en estos sistemas. "El truco consiste en maniobrar el sistema cuántico en estos estados duraderos mediante una manipulación específica, con el objetivo de almacenar información allí, "explica Dmitry Krimer.

Excluyendo energías específicas

"Las áreas de transición en los átomos de nitrógeno tienen niveles de energía ligeramente diferentes debido a las propiedades locales del cristal de diamante no del todo perfecto", explica Stefan Putz, el primer autor del estudio, quien desde entonces se mudó de TU Wien a la Universidad de Princeton. "Si usa microondas para cambiar selectivamente algunos átomos de nitrógeno que tienen energías muy específicas, puede crear un "Agujero espectral". Los átomos de nitrógeno restantes se pueden llevar a un nuevo estado cuántico, un llamado "estado oscuro", en el centro de estos agujeros. Este estado es mucho más estable y abre posibilidades completamente nuevas ".

"Nuestro trabajo es una 'prueba de principios':presentamos un nuevo concepto, demuestre que funciona, y queremos sentar las bases para una mayor exploración de protocolos operativos innovadores de datos cuánticos, "dice Stefan Putz.

Con este nuevo método, la vida útil de los estados cuánticos del sistema acoplado de microondas y átomos de nitrógeno aumentó en más de un orden de magnitud hasta aproximadamente cinco microsegundos. Esto todavía no es mucho en el nivel de la vida cotidiana, pero en este caso es suficiente para importantes aplicaciones de tecnología cuántica. "La ventaja de nuestro sistema es que se puede escribir y leer información cuántica en nanosegundos, "explica Johannes Majer." Por lo tanto, es posible realizar una gran cantidad de pasos de trabajo en microsegundos, en el que el sistema permanece estable ".