Los físicos del MIT y de la Universidad de Harvard han demostrado una nueva forma de manipular trozos cuánticos de materia. En un artículo publicado hoy en la revista Naturaleza , informan que utilizan un sistema de láseres finamente ajustados para atrapar primero y luego modificar las interacciones de 51 átomos individuales, o bits cuánticos.

Los resultados del equipo representan una de las matrices más grandes de bits cuánticos, conocido como qubits, que los científicos han podido controlar individualmente. En el mismo número de Naturaleza , un equipo de la Universidad de Maryland informa sobre un sistema de tamaño similar que utiliza iones atrapados como bits cuánticos.

En el enfoque MIT-Harvard, los investigadores generaron una cadena de 51 átomos y los programaron para que se sometieran a una transición de fase cuántica, en el que todos los demás átomos de la cadena estaban excitados. El patrón se asemeja a un estado de magnetismo conocido como antiferromagnet, en el que se alinea el giro de todos los demás átomos o moléculas.

El equipo describe la matriz de 51 átomos como no una computadora cuántica genérica, que teóricamente debería poder resolver cualquier problema de cálculo que se le plantee, sino un "simulador cuántico", un sistema de bits cuánticos que puede diseñarse para simular un problema específico o resolver una ecuación particular, mucho más rápido que la computadora clásica más rápida.

Por ejemplo, el equipo puede reconfigurar el patrón de átomos para simular y estudiar nuevos estados de la materia y fenómenos cuánticos como el entrelazamiento. El nuevo simulador cuántico también podría ser la base para resolver problemas de optimización como el problema del viajante de comercio, en el que un vendedor teórico debe averiguar el camino más corto a seguir para visitar una lista determinada de ciudades. Aparecen ligeras variaciones de este problema en muchas otras áreas de investigación, como la secuenciación de ADN, mover una punta de soldadura automatizada a muchos puntos de soldadura, o enrutar paquetes de datos a través de nodos de procesamiento.

"Este problema es exponencialmente difícil para una computadora clásica, lo que significa que podría resolver esto para un cierto número de ciudades, pero si quisiera agregar más ciudades, se volvería mucho más difícil, muy rápidamente, "dice el coautor del estudio, Vladan Vuleti ?, el profesor Lester Wolfe de Física en el MIT. "Para este tipo de problema, no necesitas una computadora cuántica. Un simulador es lo suficientemente bueno para simular el sistema correcto. Por eso creemos que estos algoritmos de optimización son las tareas más sencillas de lograr ".

El trabajo se realizó en colaboración con los profesores de Harvard Mikhail Lukin y Markus Greiner; Sylvain Schwartz, científico visitante del MIT, también es coautor.

Separados pero interactuando

Las computadoras cuánticas son dispositivos en gran parte teóricos que podrían llevar a cabo cálculos inmensamente complicados en una fracción del tiempo que tomaría la computadora clásica más poderosa del mundo. Lo harían a través de qubits, unidades de procesamiento de datos que, a diferencia de los bits binarios de las computadoras clásicas, puede estar simultáneamente en una posición de 0 y 1. Esta propiedad cuántica de superposición permite que un solo qubit lleve a cabo dos flujos de cálculo separados simultáneamente. Agregar qubits adicionales a un sistema puede acelerar exponencialmente los cálculos de una computadora.

Pero importantes obstáculos han impedido que los científicos se den cuenta de una computadora cuántica en pleno funcionamiento. Uno de esos desafíos:cómo lograr que los qubits interactúen entre sí sin interactuar con el entorno que los rodea.

"Sabemos que las cosas se vuelven clásicas con mucha facilidad cuando interactúan con el medio ambiente, así que necesitas [qubits] para estar súper aislado, "dice Vuleti? quien es miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica y del Centro MIT-Harvard para Átomos Ultrafríos. "Por otra parte, necesitan interactuar fuertemente con otro qubit ".

Algunos grupos están construyendo sistemas cuánticos con iones, o átomos cargados, como qubits. Atrapan o aíslan los iones del resto del entorno mediante campos eléctricos; una vez atrapado, los iones interactúan fuertemente entre sí. Pero muchas de estas interacciones son muy repelentes, como imanes de orientación similar, y por lo tanto son difíciles de controlar, particularmente en sistemas con muchos iones.

Otros investigadores están experimentando con qubits superconductores, átomos artificiales fabricados para comportarse de forma cuántica. ¿Pero Vuleti? dice que estos qubits fabricados tienen sus desventajas en comparación con los basados ​​en átomos reales.

"Por definición, cada átomo es igual que cualquier otro átomo de la misma especie, "¿Vuleti? Dice." Pero cuando los construyes a mano, entonces tienes influencias de fabricación, como frecuencias de transición ligeramente diferentes, acoplamientos, etcétera."

Poniendo la trampa

Vuleti? y sus colegas idearon un tercer enfoque para construir un sistema cuántico, utilizando átomos neutros, átomos que no tienen carga eléctrica, como qubits. A diferencia de los iones, los átomos neutros no se repelen entre sí, y tienen propiedades inherentemente idénticas, a diferencia de los qubits superconductores fabricados.

En trabajos anteriores, el grupo ideó una forma de atrapar átomos individuales, mediante el uso de un rayo láser para enfriar primero una nube de átomos de rubidio a temperaturas cercanas al cero absoluto, ralentizando su movimiento hasta casi detenerse. Luego emplean un segundo láser, dividido en más de 100 haces, para atrapar y mantener los átomos individuales en su lugar. Pueden tomar imágenes de la nube para ver qué rayos láser han atrapado un átomo, y puede apagar ciertos rayos para descartar esas trampas sin un átomo. Luego reorganizan todas las trampas con átomos, para crear un ordenado, Matriz de qubits sin defectos.

Con esta técnica, los investigadores han podido construir una cadena cuántica de 51 átomos, todos atrapados en su estado fundamental, o el nivel de energía más bajo.

En su nuevo periódico, el equipo informa que va un paso más allá, para controlar las interacciones de estos 51 átomos atrapados, un paso necesario hacia la manipulación de qubits individuales. Para hacerlo apagaron temporalmente las frecuencias láser que originalmente atrapaban los átomos, permitiendo que el sistema cuántico evolucione naturalmente.

Luego expusieron el sistema cuántico en evolución a un tercer rayo láser para tratar de excitar a los átomos en lo que se conoce como estado de Rydberg, un estado en el que uno de los electrones de un átomo se excita a una energía muy alta en comparación con el resto de los átomos. electrones. Finalmente, volvieron a encender los rayos láser que atrapan los átomos para detectar los estados finales de los átomos individuales.

"Si todos los átomos comienzan en el estado fundamental, resulta que cuando intentamos poner todos los átomos en este estado excitado, el estado que emerge es uno en el que cada segundo átomo está excitado, "¿Vuleti?", Dice. "Entonces los átomos hacen una transición de fase cuántica a algo similar a un antiferromagnet".

La transición tiene lugar solo en todos los demás átomos debido al hecho de que los átomos en los estados de Rydberg interactúan muy fuertemente entre sí, y se necesitaría mucha más energía para excitar dos átomos vecinos a los estados de Rydberg de la que puede proporcionar el láser.

Vuleti? dice que los investigadores pueden cambiar las interacciones entre los átomos cambiando la disposición de los átomos atrapados, así como la frecuencia o el color del rayo láser de excitación de átomos. Y lo que es más, el sistema se puede ampliar fácilmente.

"Creemos que podemos escalarlo a unos pocos cientos, "¿Vuleti?", Dice. "Si quieres usar este sistema como una computadora cuántica, se vuelve interesante del orden de 100 átomos, dependiendo del sistema que intente simular ".

Por ahora, los investigadores planean probar el sistema de 51 átomos como un simulador cuántico, específicamente en problemas de optimización de planificación de rutas que se pueden resolver utilizando la computación cuántica adiabática, una forma de computación cuántica propuesta por primera vez por Edward Farhi, el profesor de física Cecil e Ida Green en el MIT.

La computación cuántica adiabática propone que el estado fundamental de un sistema cuántico describe la solución al problema de interés. Cuando ese sistema puede evolucionar para producir el problema en sí, el estado final del sistema puede confirmar la solución.

"Puede comenzar preparando el sistema en un estado simple y conocido de menor energía, por ejemplo, todos los átomos en sus estados fundamentales, luego, deformándolo lentamente para representar el problema que desea resolver, por ejemplo, el problema del viajante, "¿Vuleti?", Dice. "Es un cambio lento de algunos parámetros en el sistema, que es exactamente lo que hacemos en este experimento. Así que nuestro sistema está orientado hacia estos problemas de computación cuántica adiabática ".