Los pulsos de luz de formas intrincadas allanan un camino para la dinámica acelerada de las partículas cuánticas, permitiendo una conmutación más rápida de un bit cuántico. Crédito:Peter Allen.
Desde portátiles hasta teléfonos móviles, La tecnología actual avanza gracias a la velocidad cada vez mayor a la que se dirigen las cargas eléctricas a través de los circuitos. Similar, Acelerar el control sobre los estados cuánticos en sistemas atómicos y a nanoescala podría dar lugar a saltos para el campo emergente de la tecnología cuántica.
Una colaboración internacional entre físicos de la Universidad de Chicago, Laboratorio Nacional Argonne, Universidad McGill, y la Universidad de Konstanz demostró recientemente un nuevo marco para un control más rápido de un bit cuántico. Publicado por primera vez en línea el 28 de noviembre de 2016, en Física de la naturaleza , sus experimentos con un solo electrón en un chip de diamante podrían crear dispositivos cuánticos que son menos propensos a errores cuando se operan a altas velocidades.
Acelerando la dinámica cuántica
Para entender su experimento, uno puede buscar el escenario definitivo para la velocidad en la dinámica clásica:las pistas de carreras ovaladas en Indianápolis o Daytona 500. Para permitir que los autos de carrera naveguen por las curvas a velocidades asombrosas, El pavimento de la pista de carreras está "inclinado" hasta 30 grados. Un estudiante de mecánica newtoniana podría explicar que esta pendiente hacia adentro del pavimento permite que la fuerza normal proporcionada por la carretera ayude a cancelar la aceleración centrífuga del automóvil, o su tendencia a deslizarse hacia afuera desde el giro. Cuanto mayor sea la velocidad, cuanto mayor sea el ángulo de inclinación requerido.
"La dinámica de las partículas cuánticas se comporta de manera análoga, "dijo Aashish Clerk, profesor de física teórica en la Universidad McGill. "Aunque las ecuaciones de movimiento son diferentes, para cambiar con precisión el estado de una partícula cuántica a altas velocidades, es necesario diseñar la vía correcta para impartir las fuerzas adecuadas ".
Brian Zhou, becario postdoctoral en la Universidad de Chicago, alinea los láseres con los chips de diamante utilizados en los experimentos. Crédito:Awschalom Lab.
Empleado, junto con los becarios posdoctorales McGill Alexandre Baksic y Hugo Ribeiro, formuló una nueva técnica para permitir una dinámica cuántica más rápida al absorber hábilmente las aceleraciones perjudiciales que siente la partícula cuántica. Estas aceleraciones, a menos que sea compensado, desviaría la partícula de su trayectoria prevista en el espacio de los estados cuánticos, similar a cómo la aceleración centrífuga desvía el auto de carreras de su línea de carrera prevista en la pista.
A través de conversaciones con miembros de su propio grupo y el grupo Clerk, David Awschalom, profesor de espintrónica e información cuántica en el Instituto de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago, se dio cuenta de que la nueva teoría podría usarse para acelerar los dispositivos cuánticos basados en diamantes en sus laboratorios. Sin embargo, así como la construcción de las carreteras con peralte presentaba desafíos en la ingeniería civil, La ejecución experimental de las secuencias de control imaginadas por Clerk y sus colaboradores presentó las de ingeniería cuántica.
La construcción de la vía rápida cuántica requirió un brillo de formas intrincadas, pulsos de láser sincronizados en electrones individuales atrapados en defectos dentro de sus chips de diamante. Esta hazaña experimental fue lograda por el autor principal Brian Zhou, trabajando con Christopher Yale, F. Joseph Heremans, y Paul Jerger.
"Demostramos que estos nuevos protocolos podrían cambiar el estado de un bit cuántico, de 'apagado' a 'encendido, '300% más rápido que los métodos convencionales, "dijo Awschalom, también científico senior en el Laboratorio Nacional Argonne. "Reducir cada nanosegundo del tiempo de operación es esencial para reducir el impacto de la decoherencia cuántica, " él explicó, refiriéndose al proceso por el cual la información cuántica se pierde en el medio ambiente
El profesor Guido Burkard y Adrian Auer de la Universidad de Konstanz se unieron a los grupos Awschalom y Clerk para examinar los datos de los experimentos. Un experto líder en sistemas cuánticos basados en diamantes, Burkard comentó, "Lo que es prometedor para trasladar estas técnicas más allá del laboratorio es que son efectivas incluso cuando el sistema no está perfectamente aislado".
Los investigadores anticipan que sus métodos se pueden aplicar aún más para un control rápido y preciso sobre el movimiento físico de los átomos o la transferencia de estados cuánticos entre diferentes sistemas. y transmitir beneficios a las aplicaciones cuánticas, como comunicaciones seguras y simulación de sistemas complejos.
