Los investigadores han encontrado una forma de utilizar la luz y un solo electrón para comunicarse con una nube de bits cuánticos y detectar su comportamiento. lo que permite detectar un solo bit cuántico en una nube densa.

Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, fueron capaces de inyectar una 'aguja' de información cuántica altamente frágil en un 'pajar' de 100, 000 núcleos. Usando láseres para controlar un electrón, los investigadores podrían usar ese electrón para controlar el comportamiento del pajar, facilitando la búsqueda de la aguja. Pudieron detectar la 'aguja' con una precisión de 1,9 partes por millón:lo suficientemente alta como para detectar un solo bit cuántico en este gran conjunto.

La técnica permite enviar ópticamente información cuántica altamente frágil a un sistema nuclear para su almacenamiento, y verificar su huella con la mínima alteración, un paso importante en el desarrollo de una Internet cuántica basada en fuentes de luz cuánticas. Los resultados se informan en la revista Física de la naturaleza .

Las primeras computadoras cuánticas, que aprovecharán el extraño comportamiento de las partículas subatómicas para superar con creces incluso a las supercomputadoras más poderosas, están en el horizonte. Sin embargo, Aprovechar todo su potencial requerirá una forma de conectarlos en red:una Internet cuántica. Los canales de luz que transmiten información cuántica son candidatos prometedores para una Internet cuántica, y actualmente no hay mejor fuente de luz cuántica que el punto cuántico semiconductor:pequeños cristales que son esencialmente átomos artificiales.

Sin embargo, Una cosa se interpone en el camino de los puntos cuánticos y de una Internet cuántica:la capacidad de almacenar información cuántica temporalmente en puestos de ensayo a lo largo de la red.

"La solución a este problema es almacenar la frágil información cuántica ocultándola en la nube de 100, 000 núcleos atómicos que contiene cada punto cuántico, como una aguja en un pajar, "dijo el profesor Mete Atatüre del Laboratorio Cavendish de Cambridge, quien dirigió la investigación. "Pero si intentamos comunicarnos con estos núcleos como nos comunicamos con bits, tienden a 'voltear' al azar, creando un sistema ruidoso ".

La nube de bits cuánticos contenidos en un punto cuántico normalmente no actúa en un estado colectivo, por lo que es un desafío obtener información dentro o fuera de ellos. Sin embargo, Atatüre y sus colegas demostraron en 2019 que cuando se enfría a temperaturas ultrabajas también usando luz, estos núcleos pueden hacer 'danzas cuánticas' al unísono, reduciendo significativamente la cantidad de ruido en el sistema.

Ahora, han mostrado otro paso fundamental hacia el almacenamiento y la recuperación de información cuántica en los núcleos. Controlando el estado colectivo de los 100, 000 núcleos, fueron capaces de detectar la existencia de la información cuántica como un "bit cuántico invertido" con una precisión ultra alta de 1,9 partes por millón:suficiente para ver un solo bit voltear en la nube de núcleos.

"Técnicamente, esto es extremadamente exigente, "dijo Atatüre, quien también es miembro del St John's College. "No tenemos una forma de 'hablar' con la nube y la nube no tiene una forma de hablar con nosotros. Pero con lo que podemos hablar es con un electrón:podemos comunicarnos con él como un perro que rebaños de ovejas ".

Usando la luz de un láser, los investigadores pueden comunicarse con un electrón, que luego se comunica con los giros, o momento angular inherente, de los núcleos.

Hablando con el electrón, el conjunto caótico de giros comienza a enfriarse y reunirse alrededor del electrón pastor; fuera de este estado más ordenado, el electrón puede crear ondas de espín en los núcleos.

"Si imaginamos nuestra nube de giros como una manada de 100, 000 ovejas moviéndose al azar, una oveja que cambia repentinamente de dirección es difícil de ver, "dijo Atatüre." Pero si toda la manada se mueve como una ola bien definida, entonces, una sola oveja que cambia de dirección se vuelve muy notoria ".

En otras palabras, inyectar una onda de giro hecha de un solo giro de giro nuclear en el conjunto facilita la detección de un solo giro de giro nuclear entre 100, 000 giros nucleares.

Usando esta técnica, los investigadores pueden enviar información al bit cuántico y 'escuchar' lo que dicen los giros con una perturbación mínima, hasta el límite fundamental establecido por la mecánica cuántica.

"Habiendo aprovechado esta capacidad de control y detección sobre este gran conjunto de núcleos, nuestro próximo paso será demostrar el almacenamiento y recuperación de un bit cuántico arbitrario del registro de espín nuclear, "dijo el co-primer autor Daniel Jackson, un doctorado estudiante en el Laboratorio Cavendish.

"Este paso completará una memoria cuántica conectada a la luz, un componente importante en el camino hacia la realización de la Internet cuántica, "dijo el co-primer autor Dorian Gangloff, becario de investigación en St John's College.

Además de su uso potencial para una futura Internet cuántica, la técnica también podría ser útil en el desarrollo de la computación cuántica de estado sólido.