Un paso importante hacia los ordenadores cuánticos

Un equipo de científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST por sus siglas en ingles) en Boulder, EE.UU., ha logrado enredar los iones con los campos de microondas, por primera vez. De acuerdo con su publicación en la revista Nature ("Puertas lógicas cuánticas de microondas para iones atrapados"), el equipo ha puesto en marcha un método que podría ser importante para la realización de un sistema integrado de computadora cuántica con iones atrapados.
Christian Ospelkaus, profesor en el Cluster of Excelence QUEST (Centro de Ingeniería e Investigación cuántica del espacio-tiempo) en Leibniz Universität Hannover y Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, de Brunswick desde diciembre de 2010, ha realizado el experimento junto con sus colegas en el NIST.

El enredo es un concepto en el corazón del extraño mundo cuántico. Damos por sentado que, si dos monedas se lanzan al mismo tiempo, cada uno de ellos por sí solo muestran un patrón al azar de cara o cruz, cada una independiente de la otra moneda. En un mundo cuántico, las dos monedas podrían ser manipuladas de tal manera que, si una de ellas sale cara, el otro también lo hará, y viceversa. Esto se llama un "estado enredado" de los dos iones. Si identificamos como "cabezas" y las "colas" los dos valores de 'cero' y 'uno', esta operación representa la llamada enredo de puerta lógica cuántica. Estas operaciones son la puerta, el paso crucial en la construcción de una "computadora cuántica". Estos dispositivos podrían algún día explotar las leyes de la mecánica cuántica para resolver ciertos problemas de física, matemáticas y criptografía mucho más rápido de lo que las supercomputadoras clásicas lo pueden hacer.

Los Iones (átomos cargados) son una de las tecnologías experimentales más avanzadas en la ruta hacia un ordenador cuántico práctico. En un anterior número de innovadores experimentos realizados por el grupo del NIST y otros grupos en el campo, las operaciones en los bits cuánticos o de iones "qubits" se había llevado a cabo con rayos láser. En su artículo, el equipo del NIST demuestra que estas operaciones pueden llevarse a cabo utilizando la electrónica de microondas miniaturizadas que utilizan habitualmente, por ejemplo, en los teléfonos móviles, en lugar de hacerce con un sistema láser complejo que ocupa una sala entera. Con el fin de generar el enredo, la fuente de microondas está integrada en los electrodos de la "trampa de chip" un llamado, una estructura microscópica utilizada para la captura y manipulación de iones situados en el interior de un recinto vacío. "Debido a que los campos de microondas generalmente se pueden generar de una manera menos engorrosa y más fácilmente y controlables que con los rayos láser, esta técnica podría ayudar a construir experimentos más potentes y flexibles en los errores", dice Christian Ospelkaus.



Esta Imagen de arriba muestra una trampa de iones (estructura de oro cuadrado en el centro). La instalación se encuentra en un recinto vacío, y los iones flotan por encima de 30 micrómetros de la superficie del chip. Las señales de microondas son llevadas a través de las tres grandes líneas en el lado derecho. (Imagen: Yves Colombe / NIST)

El equipo se caracteriza por lo bien que se puede crear el estado entrelazado, y lograr que trabaje el 76% del tiempo. El enfoque basado en láser que se ha desarrollado desde hace varios años está aún mejor (99,3%), pero el nuevo experimento tiene una ventaja importante: Se necesita sólo una décima parte de la huella de un experimento basado en láser, y dicha huella podría ser reducida aún más sobre la base de esta experiencia pionera. En su publicación, el equipo señala una serie de medidas que pueden adoptarse para aumentar la calidad de las operaciones. "La capacidad de integrar el control de los qubits en la estructura de captura, en lugar de tener que construir un sistema láser enorme, es un paso importante. En el futuro, este método podría ayudar a procesar más y más qubits", dice Christian Ospelkaus.

Con su grupo en el grupo de "búsqueda" de excelencia, Christian Ospelkaus está trabajando en el desarrollo de un sistema microscópico como modelo experimental para ayudar a entender el comportamiento de la mecánica cuántica de muchos sistemas del cuerpo. Las técnicas de microondas lógica cuántica que él ayudó a desarrollar en el NIST son una parte importante de este esquema. El grupo también lleva a cabo ampliaciones de la espectroscopia de precisión.

La investigación del NIST fue apoyada por la entidad llamada United States Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), la Office of Naval Research (ONR), Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), la National Security Agency (NSA) y los Laboratorios Nacionales de Sandia.

Desde noviembre de 2007, el Cluster de Excelencia QUEST - Centro de Ingeniería e Investigación cuántica del espacio-tiempo - en Leibniz Universität Hannover ha sido apoyado por la Iniciativa de Excelencia de los gobiernos de Alemania federal y estatal. Sus principales áreas de investigación son la ingeniería cuántica y la investigación del espacio-tiempo. Aparte de los seis institutos de Leibniz Universität Hannover, y las instituciones QUEST en conjunto son la Laser Zentrum Hannover (LZH), el Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein), con el detector de onda gravitacional GEO600, el Brunswick Physikalisch-Technische Bundesanstalt y el Centro de Tecnología Aplicada al Espacio y Microgravedad (ZARM) de la Universidad de Bremen.


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