Las propiedades de la mecánica cuántica de los electrones están comenzando a abrir la puerta a una nueva clase de sensores y computadoras con habilidades mucho más allá de lo que pueden lograr sus contrapartes basadas en la física clásica. Los estados cuánticos son notoriamente difíciles de leer o escribir, sin embargo, y para empeorar las cosas, La incertidumbre sobre las condiciones iniciales de esos estados puede hacer que los experimentos sean más laboriosos o incluso imposibles.

Ahora, Los ingenieros de Penn han ideado un sistema para restablecer esas condiciones iniciales, pruébelos para ver si son correctos, e iniciar automáticamente el experimento si lo están, todo en cuestión de microsegundos.

Este nuevo "procedimiento de inicialización" ahorrará a los investigadores cuánticos el tiempo y el esfuerzo de volver a ejecutar los experimentos para tener en cuenta estadísticamente los estados iniciales inciertos. y permiten nuevos tipos de mediciones que requieren condiciones de inicio exactas para ejecutarse.

Lee Bassett, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas y director del Laboratorio de Ingeniería Cuántica, junto con los miembros del laboratorio David Hopper y Joseph Lauigan, dirigió un estudio reciente que demuestra este nuevo procedimiento de inicialización. El miembro del laboratorio Tzu-Yung Huang también contribuyó al estudio.

Fue publicado en la revista Revisión física aplicada .

"La inicialización es una de las claves, requisitos fundamentales para realizar casi cualquier tipo de procesamiento de información cuántica, "Dice Bassett." Necesitas poder establecer de manera determinista tu estado cuántico antes de poder hacer algo útil con él, pero el pequeño secreto sucio es que, en casi todas las arquitecturas cuánticas, esa inicialización no es perfecta ".

"Algo de tiempo, "Hopper dice, "podemos aceptar esa incertidumbre, y ejecutando un protocolo experimental miles de veces, elabore una medida en la que, en última instancia, confiemos. Pero hay otros experimentos que nos gustaría hacer en los que este tipo de promediado en varias ejecuciones no funcionará ".

El tipo particular de incertidumbre que investigaron los investigadores tiene que ver con un sistema cuántico de uso común conocido como centro de nitrógeno vacante (NV) en el diamante. Estos centros NV son defectos que ocurren naturalmente dentro del diamante, donde la red regular de átomos de carbono se interrumpe ocasionalmente con un átomo de nitrógeno y un lugar vacío junto a él. Las nubes de electrones de los átomos vecinos se superponen en este espacio vacío, creando una "molécula atrapada" en el diamante que se puede probar con un láser, permitiendo a los investigadores medir, o alterar, la propiedad cuántica de los electrones conocida como "espín".

Los electrones atrapados en un centro NV forman un "qubit", la unidad básica de información cuántica, que se puede usar para detectar campos locales, almacenar estados de superposición cuántica, e incluso realizar cálculos cuánticos.

"Los electrones son excelentes sensores magnéticos, "Bassett dice, "e incluso pueden detectar los diminutos campos magnéticos asociados con los núcleos de carbono que rodean el defecto. Esos núcleos pueden servir como qubits y ser controlados utilizando el electrón central para construir los estados cuánticos entrelazados que forman la base de las computadoras cuánticas. También se acoplan a los fotones, que se utilizan para transmitir información cuántica a largas distancias. Entonces, los centros NV realmente fusionan las tres áreas principales de la ciencia cuántica:detección, comunicación y computación ".

Tan prometedores como son los centros NV, los investigadores aún deben lidiar con una variable incierta:el número de electrones que quedan atrapados en el centro NV cuando comienza un experimento, ya que los electrones pueden entrar y salir del defecto cuando se ilumina con un láser. Un procedimiento de inicialización que garantice un número predecible de electrones cada vez reduciría la cantidad de tiempo que lleva ejecutar con éxito un experimento. o permitir experimentos en los que las condiciones iniciales inciertas no puedan corregirse estadísticamente después del hecho.

"El centro NV es como una caja con una moneda adentro, "Dice Lauigan." Si queremos hacer nuestro experimento solo cuando la moneda está en cara, tenemos que agitar la caja, revisa la moneda, y repita hasta que encontremos que aterrizó de la manera correcta. Ese es el procedimiento de inicialización ".

Para ejecutar esta inicialización, los investigadores utilizaron un par de láseres, detectores de fotones y hardware especializado que podría manejar la sincronización precisa necesaria.

"Proyectamos un láser verde en el centro de NV, que básicamente 'lanza la moneda' y mezcla la cantidad de electrones que están atrapados en el defecto, "Dice Hopper." Luego entramos con un láser rojo, y dependiendo de la cantidad de electrones que haya, el defecto emitirá un fotón o permanecerá oscuro ".

"Una vez que detectamos el fotón que nos dice que hay el número correcto de electrones en el defecto, un circuito especializado inicia automáticamente el experimento, "Dice Huang." Todo esto sucede en unos 500 nanosegundos; no hay tiempo para que una computadora normal analice la señal, así que todo tiene que suceder en estos chips especializados llamados arreglos de puertas programables en campo ".

Los investigadores aprovecharon el poder de la electrónica clásica avanzada para controlar mejor un sistema de detección cuántica en particular. Ellos demostraron que gracias a unas condiciones de partida ideales, su dispositivo puede detectar un pequeño campo magnético oscilante de solo 1.3 nanoteslas en un segundo de mediciones, que es un registro de sensibilidad para sensores cuánticos de temperatura ambiente basados ​​en centros únicos de NV.

El procedimiento de inicialización de los investigadores también puede ayudar a acelerar el progreso en nuevas arquitecturas cuánticas para la computación y la comunicación. El diamante se compone típicamente de dos isótopos estables de carbono, carbono-12 y carbono-13. El primero es el más común, pero cada pocas décimas de nanómetro, hay un átomo de este último. Y como el carbono 13 tiene un neutrón extra, exhibe espín nuclear y puede usarse como un qubit.

Un centro NV puede ser un "mango" para controlar esos qubits de espín nuclear en una computadora cuántica, pero en esta situación, la capacidad de inicializar con precisión su estado se vuelve crucial. Los errores asociados con una mala inicialización se multiplican, y rápidamente se vuelve imposible realizar un cálculo complejo. El tipo de medición y control en tiempo real utilizado por el equipo en este trabajo es un paso importante hacia la implementación de protocolos de corrección de errores más sofisticados en estos dispositivos cuánticos.

En el corto plazo, la capacidad de detección mejorada será útil para determinar la ubicación de los átomos de carbono 13 en la red de diamante.

"Encontrar todos esos átomos de carbono especiales es un proceso laborioso, dado que hay tantos átomos y cada medición lleva mucho tiempo, ", Dice Hopper." Cuando comenzamos este proyecto, nuestro objetivo era ver qué hacía que esas mediciones tomaran tanto tiempo y si había alguna forma de acortarlas ".