Los estados gráficos, una clase de estados cuánticos entrelazados que pueden representarse mediante gráficos, han sido tema de numerosos estudios de física recientes, debido a sus intrigantes propiedades. Estas propiedades únicas podrían hacerlos particularmente prometedores para aplicaciones de computación cuántica, así como para una gama más amplia de tecnologías cuánticas.
En un estado de gráfico canónico, cada vértice de un gráfico representa un qubit individual (bit cuántico), mientras que el entrelazamiento entre estos qubits se representa como los bordes del gráfico. El concepto también se ha generalizado a estados donde la información cuántica no se almacena en qubits individuales sino en variables continuas, como la amplitud y la fase de la luz.
Si bien los estados de los gráficos han demostrado potencial para mejorar algunas herramientas de procesamiento de información cuántica y de medición cuántica, generarlos para gráficos arbitrarios es un desafío, ya que requiere un alto nivel de control sobre las interacciones que generan entrelazamiento.
Investigadores de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC demuestran la generación de estados gráficos de variables continuas de conjuntos de espines atómicos, formando los vértices de un gráfico. Su artículo, publicado en Nature Physics , abre nuevas oportunidades para el uso de estos estados para realizar nuevos sistemas de metrología y computación cuántica.
"Nuestro trabajo reciente encaja en un amplio esfuerzo para diseñar estados cuánticos entrelazados, en los que la información está codificada de forma no local en las correlaciones entre dos o más partículas", dijo a Phys.org Monika Schleier-Smith, autora principal del artículo. "Estas correlaciones cuánticas son el recurso esencial para las tecnologías cuánticas imaginadas que van desde computadoras cuánticas hasta sensores ultraprecisos".
Para implementarse con éxito en entornos del mundo real, tanto las computadoras cuánticas como las herramientas de medición cuánticas ultraprecisas mejoradas deben ser escalables y fácilmente programables. En otras palabras, deberían poder mantener el entrelazamiento no sólo entre dos sino entre muchos átomos y deberían permitir a los investigadores controlar las correlaciones en el sistema.
El objetivo principal del reciente estudio realizado por Schleier-Smith, su estudiante de posgrado Eric Cooper y sus colegas fue desarrollar un método para entrelazar átomos que sea escalable y programable. El método que desarrollaron implica el uso de tecnología láser para controlar el entrelazamiento entre átomos en dos o más subsistemas.
"La principal técnica experimental utilizada en mi laboratorio es la manipulación de átomos con luz láser", dijo Schleier-Smith. "En primer lugar, utilizamos luz láser para enfriar átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto y para formar pinzas ópticas en las que estos átomos quedan atrapados en el foco de un rayo láser".
Los investigadores utilizaron cuatro pinzas ópticas para colocar cuatro nubes de átomos entre un par de espejos, formando lo que se conoce como resonador óptico. Se trata esencialmente de una "caja" que almacena fotones, lo que les permite rebotar repetidamente entre los dos espejos.
"Creo que la luz dentro del resonador actúa como un mensajero que va y viene entre los átomos y pasa información entre ellos, pero, lo más importante, lo hace en secreto, sin compartir la información con el mundo exterior", Schleier-Smith explicado. "Ese discreto intercambio de información entre las nubes de átomos les permite entrelazarse."
Utilizando su método experimental, los investigadores pudieron diseñar de manera efectiva un estado de gráfico cuadrado de cuatro modos. Por lo tanto, su enfoque demostrado promete ser una solución escalable y eficiente para programar el entrelazamiento entre nodos cuánticos y generar estados de gráficos.
"Ingenuamente, uno podría esperar que se necesitara un control independiente de las interacciones entre cada par de nodos de la red para tener un control total de la estructura de las correlaciones cuánticas", dijo Schleier-Smith.
"Esto sería como tener dos personas en una red social capaces de enviarse mensajes directos entre sí. Sin embargo, aprendimos que se puede preparar una clase muy amplia de estados entrelazados utilizando sólo interacciones globales, como transmitir un mensaje a todos en la red social. red social, además de un ingrediente adicional de control local de los nodos individuales."
El reciente estudio de Schleier-Smith y su grupo de investigación podría allanar el camino hacia el uso generalizado de estados gráficos para la computación y la metrología cuánticas. En el futuro, su método podría usarse para preparar estados entrelazados para aplicaciones específicas, que van desde la corrección de errores cuánticos hasta la detección cuántica mejorada.
"A corto plazo, estamos explorando aplicaciones para la detección y la obtención de imágenes mejoradas cuánticamente; por ejemplo, ¿cómo diseñamos estados cuánticos que estén optimizados para reconocer patrones espaciales particulares en campos magnéticos u ópticos?" añadió Schleier-Smith.
"A largo plazo, esperamos extender nuestro método de ingeniería de estados de gráficos entrelazados a conjuntos de átomos atrapados individualmente que sirven como qubits para el cálculo cuántico. Esto requiere avances en el diseño del resonador para mejorar la fuerza de las interacciones átomo-luz. "
Más información: Eric S. Cooper et al, Estados gráficos de conjuntos atómicos diseñados mediante entrelazamiento mediado por fotones, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02407-1
Información de la revista: Física de la Naturaleza
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