Ilustración del resonador de aluminio a la derecha. Los patrones azul y rojo muestran estados mecánicos cuánticos que los investigadores de Chalmers pueden crear y controlar. Contando de arriba a abajo a la derecha, los estados son:Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP), Estado de fase cúbica, Estado binomial, Estado de Fock y Estado de gato. Crédito:Yen Strandqvist, Universidad Tecnológica de Chalmers
Investigadores en tecnología cuántica de la Universidad Tecnológica de Chalmers han logrado desarrollar una técnica para controlar los estados cuánticos de la luz en una cavidad tridimensional. Además de crear estados previamente conocidos, los investigadores son los primeros en demostrar el estado de fase cúbica largamente buscado. El avance es un paso importante hacia la corrección de errores eficiente en las computadoras cuánticas.
"Hemos demostrado que nuestra tecnología está a la altura de las mejores del mundo", dice Simone Gasparinetti, directora de un grupo de investigación en física cuántica experimental en Chalmers y una de las autoras principales del estudio.
Así como una computadora convencional se basa en bits que pueden tomar el valor 0 o 1, el método más común para construir una computadora cuántica utiliza un enfoque similar. Los sistemas mecánicos cuánticos con dos estados cuánticos diferentes, conocidos como bits cuánticos (qubits), se utilizan como bloques de construcción. A uno de los estados cuánticos se le asigna el valor 0 y al otro el valor 1. Sin embargo, debido al estado de superposición de la mecánica cuántica, los qubits pueden asumir ambos estados 0 y 1 simultáneamente, lo que permite que una computadora cuántica procese grandes volúmenes de datos con la posibilidad de resolver problemas mucho más allá del alcance de las supercomputadoras actuales.
Primera vez para el estado de fase cúbica
Un obstáculo importante para la realización de una computadora cuántica útil en la práctica es que los sistemas cuánticos utilizados para codificar la información son propensos al ruido y la interferencia, lo que provoca errores. Corregir estos errores es un desafío clave en el desarrollo de computadoras cuánticas. Un enfoque prometedor es reemplazar los qubits con resonadores, sistemas cuánticos que, en lugar de tener solo dos estados definidos, tienen una gran cantidad de ellos. Estos estados pueden compararse con una cuerda de guitarra, que puede vibrar de muchas formas diferentes. El método se denomina computación cuántica de variable continua y permite codificar los valores 1 y 0 en varios estados mecánicos cuánticos de un resonador.
Sin embargo, controlar los estados de un resonador es un desafío al que se enfrentan los investigadores cuánticos de todo el mundo. Y los resultados de Chalmers proporcionan una forma de hacerlo. La técnica desarrollada en Chalmers permite a los investigadores generar prácticamente todos los estados cuánticos de luz demostrados previamente, como por ejemplo el gato de Schrödinger o los estados de Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP), y el estado de fase cúbica, un estado descrito anteriormente solo en teoría. /P>
"El estado de fase cúbica es algo que muchos investigadores cuánticos han estado tratando de crear en la práctica durante veinte años. El hecho de que ahora hayamos logrado hacer esto por primera vez es una demostración de lo bien que funciona nuestra técnica, pero lo más importante avance es que hay tantos estados de complejidad variable y hemos encontrado una técnica que puede crear cualquiera de ellos", dice Marina Kudra, estudiante de doctorado en el Departamento de Microtecnología y Nanociencia y autora principal del estudio.
Mejora en la velocidad de la puerta
El resonador es una cavidad superconductora tridimensional hecha de aluminio. Las superposiciones complejas de fotones atrapados dentro del resonador se generan mediante la interacción con un circuito superconductor secundario.
Las propiedades mecánicas cuánticas de los fotones se controlan aplicando un conjunto de pulsos electromagnéticos llamados puertas. Primero, los investigadores lograron utilizar un algoritmo para optimizar una secuencia específica de puertas de desplazamiento simples y puertas SNAP complejas para generar el estado de los fotones. Cuando las puertas complejas resultaron ser demasiado largas, los investigadores encontraron una manera de acortarlas usando métodos de control óptimos para optimizar los pulsos electromagnéticos.
"La drástica mejora en la velocidad de nuestras puertas SNAP nos permitió mitigar los efectos de la decoherencia en nuestro controlador cuántico, impulsando esta tecnología un paso adelante. Hemos demostrado que tenemos control total sobre nuestro sistema mecánico cuántico", dice Simone Gasparinetti.
O, para decirlo más poéticamente:
"Capturé la luz en un lugar donde prospera y le di formas verdaderamente hermosas", dice Marina Kudra.
Achieving this result was also dependent on the high quality of the physical system (the aluminum resonator itself and the superconducting circuit.) Marina Kudra has previously shown how the aluminum cavity is created by first milling it, and then making it extremely clean by methods including heating it to 500 degrees Centigrade and washing it with acid and solvent. The electronics that apply the electromagnetic gates to the cavity were developed in collaboration with the Swedish company Intermodulation Products.
Research part of WACQT research program
The research was conducted at Chalmers within the framework of the Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT), a comprehensive research program, the aim of which is to make Swedish research and industry leaders in quantum technology. The initiative is led by Professor Per Delsing and a main goal is to develop a quantum computer.
"At Chalmers we have the full stack for building a quantum computer, from theory to experiment, all under one roof. Solving the challenge of error correction is a major bottleneck in the development of large-scale quantum computers, and our results are proof for our culture and ways of working," says Per Delsing. + Explore further
