Ilustración de una configuración genérica de medición y retroalimentación, que consta de un sistema cuántico abierto y un detector con un ancho de banda γ finito. El detector mide continuamente un sistema arbitrario observable. La fuerza de medición λ determina la acción inversa de la medición. La retroalimentación continua se aplica utilizando el resultado de la medición D para controlar el superoperador L(D) de Liouville del sistema. Las trazas de tiempo visualizan trayectorias para el estado del sistema S(t) y el registro de medición D(t) . Crédito:Cartas de revisión física (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.129.050401
A medida que el tamaño de la tecnología moderna se reduce a la nanoescala, los efectos cuánticos extraños, como la tunelización cuántica, la superposición y el entrelazamiento, se vuelven prominentes. Esto abre la puerta a una nueva era de tecnologías cuánticas, donde se pueden explotar los efectos cuánticos. Muchas tecnologías cotidianas utilizan el control de retroalimentación de forma rutinaria; un ejemplo importante es el marcapasos, que debe monitorear los latidos del corazón del usuario y aplicar señales eléctricas para controlarlos, solo cuando sea necesario. Pero los físicos aún no tienen una comprensión equivalente del control de retroalimentación a nivel cuántico. Ahora, los físicos han desarrollado una "ecuación maestra" que ayudará a los ingenieros a comprender la retroalimentación a escala cuántica. Sus resultados se publican en la revista Physical Review Letters .
"Es vital investigar cómo se puede usar el control de retroalimentación en las tecnologías cuánticas para desarrollar métodos eficientes y rápidos para controlar los sistemas cuánticos, de modo que puedan ser dirigidos en tiempo real y con alta precisión", dice el coautor Björn Annby- Andersson, físico cuántico de la Universidad de Lund, en Suecia.
Un ejemplo de un proceso de control de retroalimentación crucial en la computación cuántica es la corrección de errores cuánticos. Una computadora cuántica codifica información en qubits físicos, que podrían ser fotones de luz o átomos, por ejemplo. Pero las propiedades cuánticas de los qubits son frágiles, por lo que es probable que la información codificada se pierda si los qubits se ven perturbados por vibraciones o campos electromagnéticos fluctuantes. Eso significa que los físicos deben poder detectar y corregir dichos errores, por ejemplo, mediante el control de retroalimentación. Esta corrección de errores se puede implementar midiendo el estado de los qubits y, si se detecta una desviación de lo esperado, aplicando retroalimentación para corregirla.
Pero el control de retroalimentación a nivel cuántico presenta desafíos únicos, precisamente debido a la fragilidad que los físicos están tratando de mitigar. Esa naturaleza delicada significa que incluso el proceso de retroalimentación en sí mismo podría destruir el sistema. "Es necesario interactuar solo débilmente con el sistema medido, preservando las propiedades que queremos explotar", dice Annby-Andersson.
Por lo tanto, es importante desarrollar una comprensión teórica completa del control de retroalimentación cuántica, para establecer sus límites fundamentales. Pero la mayoría de los modelos teóricos existentes de control de retroalimentación cuántica requieren simulaciones por computadora, que generalmente solo brindan resultados cuantitativos para sistemas específicos. "Es difícil sacar conclusiones cualitativas generales", dice Annby-Andersson. "Los pocos modelos que pueden proporcionar una comprensión cualitativa solo son aplicables en una clase limitada de sistemas controlados por retroalimentación; este tipo de retroalimentación generalmente se denomina retroalimentación lineal".
'Lápiz y papel'
Annby-Andersson y sus colegas ahora han desarrollado una ecuación maestra, llamada "ecuación cuántica de Fokker-Planck", que permite a los físicos rastrear la evolución de cualquier sistema cuántico con control de retroalimentación a lo largo del tiempo. "La ecuación puede describir escenarios que van más allá de la retroalimentación lineal", dice Annby-Andersson. "En particular, la ecuación se puede resolver con lápiz y papel, en lugar de tener que depender de simulaciones por computadora".
El equipo probó su ecuación aplicándola a un modelo de retroalimentación simple. Esto confirmó que la ecuación proporciona resultados físicamente sensibles y también demostró cómo se puede recolectar energía en sistemas microscópicos, utilizando el control de retroalimentación. "La ecuación es un punto de partida prometedor para futuros estudios sobre cómo se puede manipular la energía con la ayuda de información a nivel microscópico", dice Annby-Andersson.
El equipo ahora está investigando un sistema que hace uso de la retroalimentación para manipular la energía en "puntos cuánticos", diminutos cristales semiconductores de solo una billonésima parte de un metro de ancho. "Una dirección futura importante es usar la ecuación como una herramienta para inventar nuevos protocolos de retroalimentación que puedan usarse para tecnologías cuánticas", dice Annby-Andersson. La computadora cuántica funciona con más de cero y uno
