Autor principal, Philip Gregory, junto con los láseres, solía enfriar átomos ultrafríos de Rb y Cs antes de formar moléculas de RbC. Crédito:Gregory et al.
Las moléculas tienen una estructura muy compleja y rica, lo que les permite girar y vibrar libremente. Como resultado, tienen un espacio casi ilimitado en el que los informáticos podrían codificar información cuántica. Además de su vasto espacio interno, Las moléculas son capaces de interacciones de largo alcance y, por lo tanto, podrían enredarse con otras moléculas separadas.
Debido a estas cualidades ventajosas, muchos ingenieros y físicos han estado investigando el uso potencial de moléculas para aplicaciones de computación cuántica. Si bien algunas computadoras cuánticas basadas en moléculas han logrado resultados prometedores, Los científicos han descubierto que los qubits almacenados en moléculas son susceptibles a la decoherencia (es decir, una pérdida de información que viaja desde un sistema cuántico a su entorno circundante).
Investigadores de la Universidad de Durham en el Reino Unido han llevado a cabo recientemente un estudio destinado a investigar el potencial de almacenar información cuántica en moléculas polares ultrafrías. En su papel publicado en Física de la naturaleza , el equipo demostró con éxito el almacenamiento de qubits en moléculas al tiempo que limitaba la decoherencia, lo que podría tener importantes implicaciones para el desarrollo de herramientas de computación cuántica.
“Uno de los grandes desafíos que enfrentan todas las plataformas de computación cuántica es desarrollar métodos de ingeniería que eviten perder información cuántica a través de la decoherencia, "Philip D. Gregory y Simon L. Cornish, dos de los investigadores que realizaron el estudio, le dijo a Phys.org por correo electrónico. "Nuestro objetivo principal era, por tanto, demostrar que la información cuántica podía almacenarse en una molécula durante períodos de tiempo excepcionalmente prolongados, abordando así uno de los requisitos para construir una computadora cuántica utilizando moléculas ultrafrías ".
El objetivo principal del trabajo reciente de Gregory, Cornish y sus colegas iban a identificar, comprender y, en última instancia, eliminar todas las fuentes de decoherencia experimentalmente relevantes en los qubits almacenados en moléculas. Inicialmente, el equipo midió la coherencia en su sistema cuántico utilizando una técnica conocida como interferometría de Ramsey en diferentes estados del qubit. Luego prepararon una superposición de los estados de los qubit utilizando microondas y permitieron que el sistema evolucionara con el tiempo.
El aparato experimental utilizado para crear moléculas de RbC ultrafrías y realizar estos experimentos. Crédito:Gregory et al.
"Para probar la coherencia, utilizamos un segundo pulso de microondas que conduce a una interferencia dependiente de la fase entre las poblaciones estatales, "Gregory y Cornish explicaron." Lo que observamos son oscilaciones en el número de moléculas en cualquier estado del qubit en función del tiempo, y también encontramos que la decoherencia se caracteriza por una reducción en la amplitud o el contraste de esas oscilaciones ".
Usando su método basado en pulsos de microondas, Gregorio Cornish y sus colegas pudieron examinar el tiempo de coherencia en función de cualquier parámetro utilizado en su experimento (por ejemplo, el campo magnético o la polarización de la luz atrapante), simplemente cambiando el valor del parámetro para el período entre los pulsos de microondas en la secuencia de Ramsey. Finalmente, compararon sus hallazgos con un modelo detallado de la estructura rotacional e hiperfina de la molécula en la que estaban almacenados los qubits. Esto les permitió comprender los roles únicos de las diferentes interacciones dentro de la molécula que pueden contribuir a la pérdida de coherencia del sistema.
"Nuestro logro más importante es la eliminación de las fuentes de decoherencia en nuestro experimento, "Gregory y Cornish dijeron." Esto tiene implicaciones para la computación cuántica con moléculas ultrafrías, ya que la información cuántica ahora se puede almacenar durante períodos de tiempo mucho más largos ".
En su experimento, los investigadores pudieron eliminar la sensibilidad al ruido del campo magnético identificando un par de estados hiperfinos que, cuando se somete a un campo magnético específico, tienen una diferencia de energía entre ellos que no depende de pequeños cambios en el campo magnético. Además, Gregorio Cornish y sus colegas descubrieron un cambio sutil de luz tensorial entre los estados qubit. Sin embargo, demostraron que este cambio también podría eliminarse eligiendo cuidadosamente el ángulo de polarización del láser de captura.
Demostración de un qubit de almacenamiento robusto en RbC. Las franjas de Ramsey de alto contraste se observan en forma de oscilación en las moléculas que permanecen en uno de los estados qubit. Estas oscilaciones persisten durante al menos 5,6 segundos en el nivel de confianza del 95%. Crédito:Gregory et al.
"Notablemente, habiendo eliminado todas estas fuentes de decoherencia, descubrimos que el tiempo de coherencia era mucho más largo que la vida útil de nuestro gas molecular (que está limitado por la pérdida por colisión), "Dijeron Gregory y Cornish.
En el futuro, este trabajo podría informar el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas que almacenan información dentro de las moléculas. Además, podría tener implicaciones valiosas para la recopilación de mediciones, como las técnicas utilizadas por Gregory, Cornish y sus colegas permiten tiempos de interacción especialmente largos con las moléculas. Esto significa que podría usarse para recolectar mediciones altamente precisas en estados hiperfinos de moléculas, lo que a su vez podría ampliar la comprensión actual de su estructura interna.
"Las operaciones de compuerta con moléculas ultrafrías son posibles utilizando interacciones resonantes dipolo-dipolo, "Gregory y Cornish dijeron." Se puede acceder a tales interacciones utilizando los estados rotacionales de la molécula. Actualmente estamos desarrollando una trampa mágica rotacional, donde el cambio de luz del suelo y los primeros estados excitados por rotación serán idénticos. Tal trampa apoyará una larga coherencia entre estados rotacionales, que será importante para implementar puertas de enredo de alta fidelidad, además de estudiar modelos relevantes para el magnetismo cuántico ".
Para varias aplicaciones de computación cuántica, el uso de moléculas ultrafrías solo es posible si las moléculas están confinadas dentro de una matriz espacial controlable y se pueden monitorear y acceder individualmente. Gregorio Cornish y sus colegas ahora también están trabajando en una estrategia para cargar moléculas en redes ópticas y ensamblar moléculas individuales en matrices. almacenarlos dentro de trampas de pinzas ópticas.
"Aislar las moléculas de esta manera también evitará colisiones entre moléculas, Gregory y Cornish agregaron:"Esto aumentará aún más el tiempo de interacción disponible y nos permitirá poner mejores límites al tiempo de coherencia en el futuro".
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