En una serie de artículos, Los investigadores de Rochester informan de importantes avances en la mejora de la transferencia de información en sistemas cuánticos.

La ciencia cuántica tiene el potencial de revolucionar la tecnología moderna con computadoras más eficientes, comunicación, y dispositivos de detección. Pero siguen existiendo desafíos para lograr estos objetivos tecnológicos, especialmente cuando se trata de transferir información de manera efectiva en sistemas cuánticos.

Los bits se utilizan para representar información en computadoras normales. Computadoras cuánticas, por otra parte, se basan en bits cuánticos, también conocido como qubits, que se puede hacer a partir de un solo electrón.

A diferencia de los transistores ordinarios, que puede ser "0" (desactivado) o "1" (activado), los qubits pueden ser "0" y "1" al mismo tiempo. La capacidad de los qubits individuales para ocupar estos llamados estados de superposición, donde están en múltiples estados simultáneamente, subyace al gran potencial de las computadoras cuánticas. Al igual que las computadoras ordinarias, sin embargo, Las computadoras cuánticas necesitan una forma de transferir información cuántica entre qubits distantes, y eso presenta un gran desafío experimental.

En una serie de artículos publicados en Comunicaciones de la naturaleza , investigadores de la Universidad de Rochester, incluido John Nichol, profesor asistente de física y astronomía, y los estudiantes de posgrado Yadav Kandel y Haifeng Qiao, los autores principales de los artículos, reportan grandes avances en la mejora de la computación cuántica al mejorar la transferencia de información entre electrones en sistemas cuánticos.

En un documento, los investigadores demostraron una ruta de transferencia de información entre qubits, llamada transferencia de estado cuántico adiabático (AQT), por primera vez con qubits de espín de electrones. A diferencia de la mayoría de los métodos de transferencia de información entre qubits, que se basan en pulsos de campo eléctrico o magnético cuidadosamente sintonizados, AQT no se ve tan afectado por los errores de pulso y el ruido.

Para visualizar cómo funciona AQT, imagina que estás conduciendo tu coche y quieres aparcarlo. Si no pisa los frenos en el momento adecuado, el coche no estará donde lo quieres, con posibles consecuencias negativas. En este sentido, los pulsos de control (los pedales del acelerador y del freno) del automóvil deben ajustarse con cuidado. AQT es diferente en que realmente no importa cuánto tiempo presione los pedales o cuánto los presione:el automóvil siempre terminará en el lugar correcto. Como resultado, AQT tiene el potencial de mejorar la transferencia de información entre qubits, que es esencial para las redes cuánticas y la corrección de errores.

Los investigadores demostraron la eficacia de AQT explotando el entrelazamiento, uno de los conceptos básicos de la física cuántica en el que las propiedades de una partícula afectan las propiedades de otra. incluso cuando las partículas están separadas por una gran distancia. Los investigadores pudieron usar AQT para transferir el estado de espín cuántico de un electrón a través de una cadena de cuatro electrones en puntos cuánticos semiconductores:diminutos, semiconductores a nanoescala con propiedades notables. Esta es la cadena más larga sobre la que se ha transferido un estado de giro, empatando el récord establecido por los investigadores en un anterior Naturaleza papel.

"Debido a que AQT es robusto contra errores de pulso y ruido, y debido a sus principales aplicaciones potenciales en la computación cuántica, esta demostración es un hito clave para la computación cuántica con qubits de espín, "Dice Nichol.

Explotando un extraño estado de la materia

En un segundo artículo, los investigadores demostraron otra técnica para transferir información entre qubits, utilizando un estado exótico de la materia llamado cristales de tiempo. Un cristal de tiempo es un estado extraño de la materia en el que las interacciones entre las partículas que componen el cristal pueden estabilizar las oscilaciones del sistema en el tiempo de forma indefinida. Imagínese un reloj que sigue corriendo para siempre; el péndulo del reloj oscila en el tiempo, muy parecido al cristal de tiempo oscilante.

Al implementar una serie de pulsos de campo eléctrico en electrones, los investigadores pudieron crear un estado similar a un cristal de tiempo. Descubrieron que podían aprovechar este estado para mejorar la transferencia del estado de giro de un electrón en una cadena de puntos cuánticos semiconductores.

"Nuestro trabajo da los primeros pasos para mostrar cuán extraños y exóticos estados de la materia, como cristales de tiempo, potencialmente puede utilizarse para aplicaciones de procesamiento de información cuántica, como transferir información entre qubits, "Dice Nichol." También mostramos teóricamente cómo este escenario puede implementar otras operaciones de uno y varios qubit que podrían usarse para mejorar el rendimiento de las computadoras cuánticas ".

Tanto AQT como cristales de tiempo, aunque diferente, podría usarse simultáneamente con sistemas de computación cuántica para mejorar el rendimiento.

"Estos dos resultados ilustran las formas extrañas e interesantes en que la física cuántica permite que la información se envíe de un lugar a otro, que es uno de los principales desafíos en la construcción de redes y computadoras cuánticas viables, "Dice Nichol.