Los qubits son un bloque de construcción básico para las computadoras cuánticas, pero también son notoriamente frágiles, difíciles de observar sin borrar su información en el proceso. Ahora, una nueva investigación de la Universidad de Colorado Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) podría ser un gran avance para el manejo de qubits con un toque ligero.

En el estudio, un equipo de físicos demostró que podía leer las señales de un tipo de qubit llamado qubit superconductor usando luz láser y sin destruir el qubit al mismo tiempo.

Los resultados del grupo podrían ser un paso importante hacia la construcción de una Internet cuántica, dicen los investigadores. Tal red vincularía docenas o incluso cientos de chips cuánticos, lo que permitiría a los ingenieros resolver problemas que están más allá del alcance incluso de las supercomputadoras más rápidas que existen en la actualidad. En teoría, también podrían usar un conjunto similar de herramientas para enviar códigos indescifrables a largas distancias.

El estudio, que aparecerá el 15 de junio en la revista Nature , fue dirigido por JILA, un instituto de investigación conjunto entre CU Boulder y NIST.

"Actualmente, no hay forma de enviar señales cuánticas entre procesadores superconductores distantes como enviamos señales entre dos computadoras clásicas", dijo Robert Delaney, autor principal del estudio y exestudiante graduado de JILA.

Delaney explicó que los bits tradicionales que ejecutan su computadora portátil son bastante limitados:solo pueden tomar un valor de cero o uno, los números que subyacen en la mayoría de la programación de computadoras hasta la fecha. Los qubits, por el contrario, pueden ser ceros, unos o, a través de una propiedad llamada "superposición", existir como ceros y unos al mismo tiempo.

Pero trabajar con qubits también es un poco como tratar de atrapar un copo de nieve en tu mano cálida. Incluso la más mínima perturbación puede colapsar esa superposición, haciendo que parezcan bits normales.

En el nuevo estudio, Delaney y sus colegas demostraron que podían sortear esa fragilidad. El equipo utiliza una pieza delgada como una oblea de silicio y nitrógeno para transformar la señal que sale de un qubit superconductor en luz visible, el mismo tipo de luz que ya transporta señales digitales de ciudad en ciudad a través de cables de fibra óptica.

"Los investigadores han realizado experimentos para extraer luz óptica de un qubit, pero no interrumpir el qubit en el proceso es un desafío", dijo la coautora del estudio, Cindy Regal, becaria de JILA y profesora asociada de física en CU Boulder.

Salto cuántico

Hay muchas maneras diferentes de hacer un qubit, agregó.

Algunos científicos han ensamblado qubits atrapando un átomo en luz láser. Otros han experimentado con la incrustación de qubits en diamantes y otros cristales. Empresas como IBM y Google han comenzado a diseñar chips informáticos cuánticos utilizando qubits fabricados con superconductores.

Los superconductores son materiales que los electrones pueden acelerar sin resistencia. En las circunstancias adecuadas, los superconductores emitirán señales cuánticas en forma de diminutas partículas de luz, o "fotones", que oscilan a frecuencias de microondas.

Y ahí es donde comienza el problema, dijo Delaney.

Para enviar ese tipo de señales cuánticas a largas distancias, los investigadores primero tendrían que convertir los fotones de microondas en fotones de luz visible u ópticos, que pueden pasar con relativa seguridad a través de redes de cables de fibra óptica a través de la ciudad o incluso entre ciudades. Pero cuando se trata de computadoras cuánticas, lograr esa transformación es complicado, dijo el coautor del estudio, Konrad Lehnert.

En parte, eso se debe a que una de las principales herramientas que necesita para convertir los fotones de microondas en fotones ópticos es la luz láser, y los láseres son la némesis de los qubits superconductores. Si incluso un fotón perdido de un rayo láser golpea su qubit, se borrará por completo.

"La fragilidad de los qubits y la incompatibilidad esencial entre los superconductores y la luz láser suele impedir este tipo de lectura", dijo Lehnert, miembro del NIST y JILA.

Códigos secretos

Para sortear ese obstáculo, el equipo recurrió a un intermediario:una pieza delgada de material llamada transductor electroóptico.

Delaney explicó que el equipo comienza aplicando luz láser a esa oblea, que es demasiado pequeña para verla sin un microscopio. Cuando los fotones de microondas de un qubit chocan contra el dispositivo, se tambalea y escupe más fotones, pero estos ahora oscilan a una frecuencia completamente diferente. Entra luz de microondas y sale luz visible

En el último estudio, los investigadores probaron su transductor utilizando un qubit superconductor real. Descubrieron que el material delgado podía lograr este cambio y al mismo tiempo mantener a esos enemigos mortales, qubits y láseres, aislados entre sí. En otras palabras, ninguno de los fotones de la luz láser se filtró para interrumpir el superconductor.

"Nuestro transductor electro-óptico no tiene mucho efecto sobre el qubit", dijo Delaney.

El equipo no ha llegado al punto en que pueda transmitir información cuántica real a través de su transductor. Entre otros problemas, el dispositivo aún no es particularmente eficiente. Se necesitan alrededor de 500 fotones de microondas, en promedio, para producir un solo fotón de luz visible.

Los investigadores están trabajando actualmente para mejorar esa tasa. Una vez que lo hagan, pueden surgir nuevas posibilidades en el reino cuántico. En teoría, los científicos podrían usar un conjunto similar de herramientas para enviar señales cuánticas a través de cables que borrarían automáticamente su información cuando alguien intente escuchar.

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