La construcción de una computadora cuántica requiere tener en cuenta los errores, en más de un sentido. Bits cuánticos, o "qubits, "que puede tomar los valores lógicos cero y uno simultáneamente, y así realizar cálculos más rápido, son extremadamente susceptibles a las perturbaciones. Un posible remedio para esto es la corrección de errores cuánticos, lo que significa que cada qubit se representa de forma redundante en varias copias, de manera que los errores puedan detectarse y eventualmente corregirse sin alterar el frágil estado cuántico del qubit en sí. Técnicamente, esto es muy exigente. Sin embargo, muchos años atrás, una propuesta alternativa sugirió almacenar información no en varios qubits redundantes, sino más bien en los muchos estados oscilatorios de un solo oscilador armónico cuántico. El grupo de investigación de Jonathan Home, profesor del Instituto de Electrónica Cuántica de ETH Zurich, ahora se ha dado cuenta de un qubit codificado en un oscilador. Sus resultados han sido publicados en la revista científica Naturaleza .

Estados oscilatorios periódicos

En el laboratorio de Home, Doctor. la estudiante Christa Flühmann y sus colegas trabajan con átomos de calcio cargados eléctricamente que están atrapados por campos eléctricos. Usando rayos láser elegidos apropiadamente, estos iones se enfrían a temperaturas muy bajas a las que sus oscilaciones en los campos eléctricos, dentro del cual los iones se agitan de un lado a otro como canicas en un cuenco, son descritos por la mecánica cuántica como las llamadas funciones de onda. "En ese punto, las cosas se ponen emocionantes, "dice Flühmann, quien es el primer autor de la Naturaleza papel. "Ahora podemos manipular los estados oscilatorios de los iones de tal manera que sus incertidumbres de posición e impulso se distribuyan entre muchos estados dispuestos periódicamente".

Aquí, "incertidumbre" se refiere a la famosa fórmula de Werner Heisenberg, que establece que en física cuántica, el producto de las incertidumbres de medición de la posición y la velocidad (más precisamente:el momento) de una partícula nunca puede ir por debajo de un mínimo bien definido. Por ejemplo, manipular la partícula para conocer muy bien su posición —los físicos llaman a esto "apretar" - requiere hacer que su impulso sea menos seguro.

Incertidumbre reducida

Exprimir un estado cuántico de esta manera es, por sí mismo, sólo de valor limitado si el objetivo es realizar mediciones precisas. Sin embargo, hay una salida inteligente:si, encima del apretón, uno prepara un estado oscilatorio en el que la función de onda de la partícula se distribuye en muchas posiciones espaciadas periódicamente, la incertidumbre de medición de cada posición y del impulso respectivo puede ser menor de lo que permitiría Heisenberg. Tal distribución espacial de la función de onda:la partícula puede estar en varios lugares a la vez, y solo una medida decide dónde se encuentra realmente:recuerda al famoso gato de Erwin Schrödinger, que está vivo y muerto al mismo tiempo.

Esta incertidumbre de medición fuertemente reducida también significa que el cambio más mínimo en la función de onda, por ejemplo, por alguna perturbación externa, puede determinarse con mucha precisión y, al menos en principio, corregirse. "Nuestra comprensión de esos estados oscilatorios periódicos o en forma de peine del ion es un paso importante hacia tal detección de errores, "Explica Flühmann." Además, podemos preparar estados arbitrarios del ion y realizar todas las operaciones lógicas posibles en él. Todo esto es necesario para construir una computadora cuántica. En un próximo paso, queremos combinar eso con la detección de errores y la corrección de errores ".

Aplicaciones en sensores cuánticos

Hay que superar algunos obstáculos experimentales en el camino, Flühmann admite. El ion calcio primero debe acoplarse a otro ion mediante fuerzas eléctricas, de modo que se pueda leer el estado oscilatorio sin destruirlo. Todavía, incluso en su forma actual, el método de los investigadores de ETH es de gran interés para las aplicaciones, Flühmann explica:"Debido a su extrema sensibilidad a las perturbaciones, esos estados oscilatorios son una gran herramienta para medir campos eléctricos diminutos u otras cantidades físicas con mucha precisión ".