Un equipo de investigadores del V Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart está logrando importantes avances en el campo de la simulación cuántica y la computación cuántica basada en átomos de Rydberg, superando una limitación fundamental:la vida útil limitada de los átomos de Rydberg. Los estados circulares de Rydberg están mostrando un enorme potencial para superar esta limitación.
El artículo se publica en la revista Physical Review X. .
En el mundo de la computación cuántica y la tecnología de simulación cuántica, el uso de átomos neutros plantea un desafío fundamental:la vida útil de los átomos de Rydberg, que son los componentes básicos de la computación cuántica, es limitada. Pero hay una solución prometedora:los estados circulares de Rydberg.
Por primera vez, el equipo de investigación ha logrado generar y capturar átomos circulares de Rydberg de un metal alcalinotérreo en una serie de pinzas ópticas.
"Esto es emocionante porque son particularmente estables y pueden prolongar enormemente la vida útil de un bit cuántico. Por lo tanto, tienen un gran potencial para el desarrollo de simuladores cuánticos más potentes", afirma el Dr. Florian Meinert, jefe del grupo de investigación junior en la 5.ª edición. Instituto de Física, quien está a cargo del proyecto.
Un átomo de Rydberg circular es un tipo particular de átomo de Rydberg en el que el electrón excitado sigue una trayectoria circular alrededor del núcleo atómico. En comparación con otros estados de Rydberg, estos átomos tienen una mayor estabilidad y una vida útil más larga. Esto los convierte en candidatos atractivos para su uso como qubits.
Los estados circulares de Rydberg se conocen desde hace décadas y fueron la clave de los experimentos ganadores del Premio Nobel sobre la naturaleza cuántica de la interacción luz-materia. Recientemente, se ha vuelto a discutir cada vez más el potencial de estos estados para la computación cuántica.
Para crear el átomo de Rydberg se eligió el estroncio, un metal alcalinotérreo con dos electrones ópticamente activos, ya que ofrece posibilidades únicas. Una vez preparado en el estado circular de Rydberg, el segundo electrón que orbita el núcleo atómico puede usarse para operaciones cuánticas que ya se conocen a partir de investigaciones sobre computadoras cuánticas de iones.
El equipo de investigación demostró la generación de estados circulares de muy alta energía de un isótopo de estroncio con una vida útil sorprendentemente larga de hasta 2,55 milisegundos a temperatura ambiente. Aprovecharon las propiedades especiales de una cavidad que suprime la radiación de fondo del cuerpo negro que interfiere, lo que llevaría al sensible electrón de Rydberg a otros niveles energéticamente vecinos de Rydberg.
Sin este blindaje, los estados circulares no podrían sobrevivir por mucho tiempo. "Su vida útil más larga también se debe a su momento angular máximo, que los protege de la desintegración. Esto significa que los bits cuánticos son más estables y, por lo tanto, menos susceptibles a errores e interferencias externas", explica Christian Hölzl, Ph.D. estudiante del V Instituto de Física.
Otro aspecto importante de la investigación fue el control y la manipulación precisos de un bit cuántico de microondas codificado en estados circulares. Este llamado control coherente permitió a los científicos utilizar pulsos de microondas para cambiar el qubit entre diferentes estados sin perder su información cuántica.
Pudieron determinar con precisión la vida útil del bit cuántico y obtener información importante sobre su estabilidad a temperatura ambiente. Un control coherente eficaz es crucial para realizar operaciones cuánticas y las hace precisas y confiables.
Los átomos circulares de Rydberg ofrecen multitud de posibilidades para realizar operaciones cuánticas y, en particular, simulaciones cuánticas. "Su versatilidad los hace atractivos para una amplia gama de aplicaciones", afirma el Prof. Tilman Pfau, director del V Instituto de Física y del Centro supraregional de Fotónica Cuántica de la Fundación Carl Zeiss en Jena, Stuttgart y Ulm (Centro CZS QPhoton).
Dado que los átomos circulares de Rydberg pueden ser atrapados específicamente y manipulados con precisión en pinzas ópticas u otros tipos de trampas, ofrecen posibilidades para una arquitectura escalable que podría ser ventajosa en el futuro para construir grandes sistemas de bits cuánticos basados en átomos neutros.
Más información: C. Hölzl et al, Qubits Rydberg circulares de larga duración de átomos alcalinotérreos en pinzas ópticas, Revisión física X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021024
Información de la revista: Revisión física X
Proporcionado por la Universidad de Stuttgart
