Los físicos de ETH Zurich han demostrado un enlace cuántico de microondas de cinco metros de largo, el más largo de su tipo hasta la fecha. Se puede utilizar tanto para futuras redes de computadoras cuánticas como para experimentos en la investigación básica de la física cuántica.

La colaboración lo es todo, también en el mundo cuántico. Para construir poderosas computadoras cuánticas en el futuro, será necesario conectar varias computadoras más pequeñas para formar una especie de clúster o red local (LAN). Dado que esas computadoras funcionan con estados de superposición de la mecánica cuántica, que contienen los valores lógicos "0" y "1" al mismo tiempo, los vínculos entre ellos también deberían ser "vínculos cuánticos".

El enlace más largo hasta la fecha basado en microondas, a cinco metros de largo, fue construido recientemente en el laboratorio de Andreas Wallraff, profesor en el Laboratorio de Dispositivos Cuánticos en ETH Zurich. Se programó que los investigadores presentaran sus resultados en la reunión anual de la Sociedad Estadounidense de Física en Denver. Debido a la situación de la epidemia de COVID-19, esta conferencia fue cancelada con poca antelación. En lugar de, los científicos ahora informan de sus resultados en una conferencia virtual sustituta.

"Eso es realmente un hito para nosotros, "Explica Wallraff, "ya que ahora podemos demostrar que las LAN cuánticas son posibles en principio. En los próximos 10 a 20 años, los ordenadores cuánticos probablemente dependerán cada vez más de ellos ". Actualmente hay ordenadores con unas pocas docenas de bits cuánticos o qubits, pero varios cientos de miles de ellos son casi imposibles de acomodar en los dispositivos existentes. Una razón de esto es que los qubits basados ​​en osciladores eléctricos superconductores, como los utilizados en los chips cuánticos en el laboratorio de Wallraff (y también por IBM y Google), deben enfriarse a temperaturas cercanas al cero absoluto de -273, 15 grados centígrados. Esto suprime las perturbaciones térmicas que harían que los estados cuánticos perdieran su propiedad de superposición (esto se conoce como decoherencia) y, por lo tanto, se producirían errores en los cálculos cuánticos.

Frío extremo contra la decoherencia

"El desafío era conectar dos de esos chips cuánticos superconductores de tal manera que pudieran intercambiar estados de superposición entre ellos con una decoherencia mínima". "dice Philipp Kurpiers, un ex Ph.D. estudiante en el grupo de Wallraff. Esto sucede por medio de fotones de microondas que son emitidos por un oscilador superconductor y recibidos por otro. Entre, vuelan a través de una guía de ondas, que es una cavidad de metal de unos centímetros de ancho, que también necesita ser enfriado fuertemente para que los estados cuánticos de los fotones no se vean influenciados.

Cada uno de los chips cuánticos se enfría durante varios días en un criostato (un refrigerador extremadamente potente), utilizando helio comprimido y también líquido, a unas pocas centésimas de grado por encima del cero absoluto. Con ese fin, la guía de ondas de cinco metros que crea el enlace cuántico estaba equipada con un caparazón que constaba de varias capas de lámina de cobre. Cada una de esas láminas actúa como escudo térmico para las diferentes etapas de temperatura del criostato:-223 grados, -269 grados, -272 grados y finalmente -273, 1 grados. En total, solo esos escudos térmicos pesan alrededor de un cuarto de tonelada.

Ningún experimento de "mesa"

"Entonces, Definitivamente, este ya no es un experimento de "mesa" que se pueda montar en un pequeño banco de trabajo, ", Dice Wallraff." Se ha dedicado mucho trabajo de desarrollo a esto, y ETH es un lugar ideal para construir un aparato tan ambicioso. Es una especie de mini CERN que primero tuvimos que construir durante varios años para poder hacer cosas interesantes con él ahora ". Aparte de los tres estudiantes de doctorado que llevaron a cabo los experimentos, varios ingenieros y técnicos, también en los talleres de ETH y en el Paul Scherrer Institute (PSI), participaron en la producción y construcción del enlace cuántico.

Los físicos de ETH no solo demostraron que el enlace cuántico se puede enfriar lo suficiente, pero también que en realidad se puede utilizar para transmitir de forma fiable información cuántica entre dos chips cuánticos. Para demostrar esto, crearon un estado entrelazado entre los dos chips a través del enlace cuántico. Tales estados enredados, en el que la medición de un qubit influye instantáneamente en el resultado de una medición en el otro qubit, también se puede utilizar para pruebas en investigación cuántica básica. En esas "pruebas de Bell, "los qubits deben estar lo suficientemente separados entre sí, de modo que se puede descartar cualquier transferencia de información a la velocidad de la luz.

Mientras Wallraff y sus colaboradores realizan experimentos con el nuevo enlace, ya han comenzado a trabajar en enlaces cuánticos aún más largos. Hace ya un año pudieron enfriar lo suficiente un enlace de diez metros, pero sin hacer ningún experimento cuántico con él. Ahora están trabajando en un enlace cuántico de 30 metros, para lo cual se ha preparado especialmente una habitación en ETH.