Un nuevo método permite medir el estado cuántico de los "qubits" atómicos, la unidad básica de información en las computadoras cuánticas, con un error veinte veces menor de lo que era posible anteriormente. sin perder átomos. Medir con precisión estados qubit, que son análogos a los estados uno o cero de los bits en la computación tradicional, es un paso vital en el desarrollo de las computadoras cuánticas. Un artículo que describe el método por investigadores de Penn State aparece el 25 de marzo, 2019 en la revista Física de la naturaleza .

"Estamos trabajando para desarrollar una computadora cuántica que utilice una matriz tridimensional de átomos de cesio atrapados y enfriados por láser como qubits, "dijo David Weiss, profesor de física en Penn State y líder del equipo de investigación. "Debido a cómo funciona la mecánica cuántica, los qubits atómicos pueden existir en una 'superposición' de dos estados, lo que significa que pueden ser, en un sentido, en ambos estados simultáneamente. Para leer el resultado de un cálculo cuántico, es necesario realizar una medición en cada átomo. Cada medición encuentra a cada átomo en solo uno de sus dos estados posibles. La probabilidad relativa de los dos resultados depende del estado de superposición antes de la medición ".

Para medir estados qubit, el equipo primero usa láseres para enfriar y atrapar alrededor de 160 átomos en una red tridimensional con X, Y, y ejes Z. Inicialmente, los láseres atrapan todos los átomos de forma idéntica, independientemente de su estado cuántico. Luego, los investigadores rotan la polarización de uno de los rayos láser que crea la red X, que desplaza espacialmente los átomos en un estado qubit a la izquierda y los átomos en el otro estado qubit a la derecha. Si un átomo comienza en una superposición de los dos estados qubit, termina en una superposición de haberse movido hacia la izquierda y haberse movido hacia la derecha. Luego cambian a una celosía X con un espaciado de celosía más pequeño, que atrapa firmemente a los átomos en su nueva superposición de posiciones cambiadas. Cuando la luz se dispersa de cada átomo para observar dónde está, cada átomo se encuentra desplazado a la izquierda o desplazado a la derecha, con una probabilidad que depende de su estado inicial. La medida de la posición de cada átomo es equivalente a la medida del estado qubit inicial de cada átomo.

"El mapeo de estados internos en ubicaciones espaciales contribuye en gran medida a que esta sea una medida ideal, ", dijo Weiss." Otra ventaja de nuestro enfoque es que las mediciones no causan la pérdida de ninguno de los átomos que estamos midiendo, que es un factor limitante en muchos métodos anteriores ".

El equipo determinó la precisión de su nuevo método cargando sus redes con átomos en uno u otro estado qubit y realizando la medición. Pudieron medir con precisión los estados de los átomos con una fidelidad de 0.9994, lo que significa que solo hubo seis errores en 10, 000 mediciones, una mejora veinte veces superior a los métodos anteriores. Adicionalmente, la tasa de error no se vio afectada por la cantidad de qubits que el equipo midió en cada experimento y porque no hubo pérdida de átomos, los átomos podrían reutilizarse en una computadora cuántica para realizar el siguiente cálculo.

"Nuestro método es similar al experimento de Stern-Gerlach de 1922, un experimento que es parte integral de la historia de la física cuántica, "dijo Weiss." En el experimento, Se hizo pasar un haz de átomos de plata a través de un gradiente de campo magnético con sus polos norte alineados perpendicularmente al gradiente. Cuando Stern y Gerlach vieron que la mitad de los átomos se desvían hacia arriba y la otra mitad hacia abajo, confirmó la idea de la superposición cuántica, uno de los aspectos definitorios de la mecánica cuántica. En nuestro experimento, también mapeamos los estados cuánticos internos de los átomos en posiciones, pero podemos hacerlo átomo por átomo. Por supuesto, no necesitamos probar este aspecto de la mecánica cuántica, simplemente podemos usarlo ".