La física cuántica establece las leyes que dominan el universo a pequeña escala. La capacidad de aprovechar los fenómenos cuánticos podría conducir a máquinas como las computadoras cuánticas, que se predice que realizarán ciertos cálculos mucho más rápido que las computadoras convencionales. Un problema importante con la construcción de procesadores cuánticos es que el seguimiento y control de sistemas cuánticos en tiempo real es una tarea difícil porque los sistemas cuánticos son abrumadoramente frágiles:manipular estos sistemas sin cuidado introduce errores significativos en el resultado final. Un nuevo trabajo de un equipo de Aalto podría conducir a computadoras cuánticas precisas.

Los investigadores informan que controlan los fenómenos cuánticos en un circuito eléctrico diseñado a medida llamado transmon. Enfriar un chip transmon a unas pocas milésimas de grado por encima del cero absoluto induce un estado cuántico, y el chip comienza a comportarse como un átomo artificial. Una de las características cuánticas que interesa a los investigadores es que la energía del transmon solo puede tomar valores específicos, llamados niveles de energía. Los niveles de energía son como escalones en una escalera:una persona que sube por la escalera debe ocupar un escalón, y no puede flotar en algún lugar entre dos pasos. Igualmente, la energía transmon solo puede ocupar los valores establecidos de los niveles de energía. Las microondas brillantes en el circuito inducen al transmon a absorber la energía y subir los peldaños de la escalera.

En trabajo publicado el 8 de febrero en la revista Avances de la ciencia , el grupo de la Universidad de Aalto dirigido por Docent Sorin Paraoanu, profesor universitario superior en el Departamento de Física Aplicada, ha hecho que el transmon salte más de un nivel de energía de una sola vez. Previamente, esto sólo ha sido posible mediante ajustes muy suaves y lentos de las señales de microondas que controlan el dispositivo. En el nuevo trabajo una señal de control de microondas adicional configurada de una manera muy específica permite un rápido, cambio preciso del nivel de energía. Dr. Antti Vepsäläinen, el autor principal, dice, "Tenemos un dicho en Finlandia:'hiljaa hyvää tulee' (lo hace lentamente). Pero logramos demostrar que corrigiendo continuamente el estado del sistema, podemos impulsar este proceso más rápidamente y con alta fidelidad ".

Dr. Sergey Danilin, uno de los coautores, describe el control cuántico, el proceso de usar chips como los transmons para construir computadoras cuánticas, extendiendo la analogía de "subir una escalera". "Para obtener un sistema cuántico útil, debe imaginarse subiendo una escalera mientras sostiene un vaso de agua; funciona si uno lo hace sin problemas, pero si lo haces muy rápido el agua se derrama. Ciertamente, esto requiere una habilidad especial ".

Los investigadores encontraron que en el mundo cuántico, El truco para subir la escalera rápidamente sin derramar agua es saltar con cuidado dos peldaños a la vez. Este atajo en la escala de energía se logró haciendo que el transmon absorbiera dos fotones de microondas al mismo tiempo. Las leyes de la naturaleza restringen la rapidez con que puede ocurrir cualquier cambio de energía cuántica, incluso con atajos, una restricción llamada "límite de velocidad cuántica". Para su deleite, los científicos de Aalto descubrieron que su nuevo método provocaba cambios en el nivel de energía que se producían a velocidades cercanas a este límite calculado teóricamente.

El impacto más amplio de controlar las transferencias de energía de alta velocidad en los sistemas cuánticos también es emocionante para el equipo. De potencialmente gran importancia son las aplicaciones de simulación cuántica y computación cuántica, lo que requiere operaciones rápidas y altamente robustas como la preparación de estados y la creación de puertas cuánticas. El Dr. Paraoanu ve otras oportunidades, también:"Nos gustaría comprender más profundamente los procesos relacionados con la transferencia de energía, que son omnipresentes en el mundo natural y en la tecnología que nos rodea. Por ejemplo, ¿Existen límites fundamentales para la rapidez con la que podemos cargar la batería de un automóvil eléctrico? "En el campo de rápido desarrollo de las tecnologías cuánticas, Es posible que este nuevo método de control encuentre múltiples aplicaciones.