Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han teletransportado una instrucción de circuito de computadora conocida como operación de lógica cuántica entre dos iones separados (átomos cargados eléctricamente), mostrando cómo los programas de computadora cuántica podrían realizar tareas en futuras redes cuánticas a gran escala.

La teletransportación cuántica transfiere datos de un sistema cuántico (como un ion) a otro (como un segundo ion), incluso si los dos están completamente aislados entre sí, como dos libros en los sótanos de edificios separados. En esta forma de teletransportación de la vida real, solo información cuántica, no importa, es transportado, a diferencia de la versión de Star Trek de "transmitir" seres humanos enteros desde, decir, una nave espacial a un planeta.

La teletransportación de datos cuánticos se ha demostrado previamente con iones y una variedad de otros sistemas cuánticos. Pero el nuevo trabajo es el primero en teletransportar una operación lógica cuántica completa usando iones, un candidato líder para la arquitectura de las futuras computadoras cuánticas. Los experimentos se describen en la edición del 31 de mayo de Ciencias .

"Verificamos que nuestra operación lógica funciona en todos los estados de entrada de dos bits cuánticos con una probabilidad del 85 al 87%, lejos de ser perfecta, Pero es un comienzo, ", Dijo el físico del NIST Dietrich Leibfried.

Una computadora cuántica a gran escala, si se puede construir uno, podría resolver ciertos problemas que actualmente son insolubles. NIST ha contribuido a los esfuerzos de investigación global para aprovechar el comportamiento cuántico para tecnologías prácticas, incluidos los esfuerzos para construir computadoras cuánticas.

Para que las computadoras cuánticas funcionen como se esperaba, probablemente necesitarán millones de bits cuánticos, o "qubits, "así como formas de realizar operaciones entre qubits distribuidos a través de máquinas y redes a gran escala. La teletransportación de operaciones lógicas es una forma de hacerlo sin conexiones mecánicas cuánticas directas (todavía se necesitarán conexiones físicas para el intercambio de información clásica).

El equipo del NIST teletransportó una operación lógica NO (CNOT) controlada cuánticamente, o puerta lógica, entre dos qubits de iones de berilio ubicados a más de 340 micrómetros (millonésimas de metro) separados en zonas separadas de una trampa de iones, una distancia que descarta cualquier interacción directa sustancial. Una operación CNOT cambia el segundo qubit de 0 a 1, o viceversa, solo si el primer qubit es 1; no pasa nada si el primer qubit es 0. En la forma cuántica típica, ambos qubits pueden estar en "superposiciones" en las que tienen valores de 1 y 0 al mismo tiempo.

El proceso de teletransportación del NIST se basa en el entrelazamiento, que vincula las propiedades cuánticas de las partículas incluso cuando están separadas. Se utiliza un par "mensajero" de iones de magnesio entrelazados para transferir información entre los iones de berilio (ver infografía).

El equipo del NIST descubrió que su proceso CNOT teletransportado enredaba los dos iones de magnesio, un paso inicial crucial, con una tasa de éxito del 95%. mientras que la operación lógica completa tuvo éxito entre el 85% y el 87% del tiempo.

"La teletransportación de la puerta nos permite realizar una puerta lógica cuántica entre dos iones que están separados espacialmente y es posible que nunca hayan interactuado antes, "Dijo Leibfried." El truco es que cada uno tiene un ion de otro par enredado a su lado, y este recurso de enredo, distribuido delante de la puerta, nos permite hacer un truco cuántico que no tiene una contraparte clásica ".

"Los pares de mensajeros entrelazados podrían producirse en una parte dedicada de la computadora y enviarse por separado a qubits que necesitan estar conectados con una puerta lógica pero que se encuentran en ubicaciones remotas, "Añadió Leibfried.

El trabajo del NIST también se integró en un solo experimento, por primera vez, varias operaciones que serán esenciales para construir computadoras cuánticas a gran escala basadas en iones, incluido el control de diferentes tipos de iones, transporte de iones, y operaciones de entrelazamiento en subconjuntos seleccionados del sistema.

Para verificar que realizaron una puerta CNOT, los investigadores prepararon el primer qubit en 16 combinaciones diferentes de estados de entrada y luego midieron las salidas en el segundo qubit. Esto produjo una "tabla de verdad" cuántica generalizada que muestra el proceso funcionado.

Además de generar una tabla de verdad, los investigadores comprobaron la coherencia de los datos durante períodos de ejecución prolongados para ayudar a identificar las fuentes de error en la configuración experimental. Se espera que esta técnica sea una herramienta importante para caracterizar los procesos de información cuántica en experimentos futuros.