Los seres humanos crean una gran cantidad de datos en la era digital, ya sea a través de elementos cotidianos como publicaciones en redes sociales, correos electrónicos y búsquedas de Google, o información más compleja sobre salud, finanzas y hallazgos científicos.

International Data Corp.informó que la esfera de datos global contenía 33 zettabytes, o 33 billones de gigabytes, en 2018. Para 2025, esperan que ese número crezca a 175 zettabytes. 175 zettabytes de información almacenada en DVD llenarían suficientes DVD para dar la vuelta a la Tierra 222 veces.

Si bien la computación cuántica se ha promocionado como una forma de clasificar inteligentemente a través de big data, Los entornos cuánticos son difíciles de crear y mantener. Estados de bits cuánticos entrelazados, o qubits, Suelen durar menos de un segundo antes de colapsar. Los Qubits también son muy sensibles a los entornos que los rodean y deben almacenarse a temperaturas criogénicas.

En un artículo publicado en Física de las comunicaciones , Los investigadores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Arizona han demostrado la posibilidad de que las ondas acústicas en un entorno clásico realicen el trabajo de procesamiento de información cuántica sin las limitaciones de tiempo y la fragilidad.

"Podríamos ejecutar nuestro sistema durante años, "dijo Keith Runge, director de investigación del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y uno de los autores del artículo. "Es tan robusto que podríamos llevarlo afuera a una feria comercial sin que se perturbe en absoluto, a principios de este año, lo hicimos."

El profesor asistente de investigación en ciencia e ingeniería de materiales, Arif Hasan, dirigió la investigación. Otros coautores incluyen al profesor asistente de investigación de MSE Lázaro Calderin; el estudiante de pregrado Trevor Lata; Pierre Lucas, profesor de MSE y ciencias ópticas; y Pierre Deymier, Jefe de departamento de MSE, miembro del Programa Interdisciplinario de Posgrado en Matemática Aplicada, y miembro del Instituto BIO5. El equipo está trabajando con Tech Launch Arizona, la oficina de la UA que comercializa invenciones derivadas de la investigación, para patentar su dispositivo y está investigando vías comerciales para llevar la innovación al público.

Superposición cuántica

En computación clásica, la información se almacena como 0 o 1, de la misma manera que una moneda debe caer en cara o cruz. En computación cuántica, Los qubits se pueden almacenar en ambos estados al mismo tiempo, lo que se denomina superposición de estados. Piense en una moneda balanceada de lado, girando tan rápido que ambas caras y colas parecen aparecer a la vez.

Cuando los qubits se enredan, cualquier cosa que le ocurra a un qubit afecta al otro a través de un principio llamado no separabilidad. En otras palabras, tirar una moneda que gira en una mesa y otra moneda que gira en la misma mesa cae, también. Un principio llamado no localidad mantiene las partículas unidas incluso si están muy separadas:derribar una moneda girando, y su contraparte enredada en el otro lado del universo cae, también. Los qubits entrelazados crean un estado Bell, en el que todas las partes de un colectivo se ven afectadas unas por otras.

"Esta es la clave, porque si manipulas solo un qubit, estás manipulando toda la colección de qubits, "Dijo Deymier." En una computadora normal, tiene muchos bits de información almacenados como 0 o 1, y hay que dirigirse a cada uno de ellos ".

De la luz al sonido

Pero, como una moneda girando sobre su borde, La mecánica cuántica es frágil. El acto de medir un estado cuántico puede hacer que el enlace colapse, o decohere, al igual que tomar una foto de una moneda girando significará capturar solo una cara de la moneda. Es por eso que los estados qubit solo se pueden mantener por períodos cortos.

Pero hay una forma de evitar el uso de la mecánica cuántica para el procesamiento de datos:los científicos ópticos y los investigadores de ingeniería eléctrica e informática han demostrado la capacidad de crear sistemas de fotones, o unidades de luz, que exhiben no separabilidad sin no localidad. Aunque la no localidad es importante para aplicaciones específicas como la criptografía, es la no separabilidad lo que importa para aplicaciones como la computación cuántica. Y las partículas que no son separables en los estados clásicos de Bell, en lugar de enredarse en un estado cuántico de Bell, son mucho más estables.

El equipo de ciencia e ingeniería de materiales ha ido un paso más allá al demostrar por primera vez que la no separabilidad clásica se puede aplicar a las ondas acústicas. no solo ondas de luz. Usan phi-bits, unidades compuestas por cuasi-partículas llamadas fonones que transmiten ondas de sonido y calor.

"Los láseres de luz y los fotones individuales son parte de la fotónica de campo, pero las ondas sonoras caen bajo el paraguas de la fonética, o el estudio de fonones, "Dijo Deymier." Además de ser estable, Las ondas acústicas clásicamente entrelazadas son fáciles de interactuar y manipular ".

Ciencia compleja, Herramientas simples

Los materiales para demostrar un concepto tan complejo eran simples, incluyendo tres varillas de aluminio, suficiente epoxi para conectarlos y algunas bandas de goma para mayor elasticidad.

Los investigadores enviaron una onda de vibraciones sonoras por las varillas, luego monitoreó dos grados de libertad de las olas:en qué dirección se movían las olas hacia abajo de las varillas (hacia adelante o hacia atrás) y cómo se movían las varillas entre sí (si se movían en la misma dirección y con amplitudes similares). Para excitar el sistema a un estado indivisible, identificaron una frecuencia a la que estos dos grados de libertad estaban vinculados y enviaron las ondas a esa frecuencia. ¿El resultado? Un estado de Bell.

"Entonces, tenemos un sistema acústico que nos da la posibilidad de crear estos estados de campana, ", Dijo Deymier." Es el análogo completo a la mecánica cuántica ".

Demostrar que esto es posible ha abierto la puerta a la aplicación de la no separabilidad clásica al campo emergente de la fonética. Próximo, Los investigadores trabajarán para aumentar el número de grados de libertad que se pueden entrelazar clásicamente. el mejor. También quieren desarrollar algoritmos que puedan usar estos estados no separables para manipular información.

Una vez que se refina el sistema, planean cambiar su tamaño desde la superficie de la mesa hasta la microescala, listo para implementar en chips de computadora en centros de datos de todo el mundo.