Los nuevos qubits, descubiertos por físicos del MIT, permanecen en «superposición» hasta 10 segundos y podrían ser una base prometedora para las computadoras cuánticas.
En este estado, un qubit debería poder comunicarse con otros qubits y procesar varios flujos de información para resolver rápidamente problemas que a las computadoras clásicas les llevaría años procesar.
Para construir una computadora cuántica funcional con qubits vibratorios, el equipo tendrá que encontrar también formas de controlar pares individuales de fermiones.
Físicos del MIT han descubierto un nuevo bit cuántico, o «qubit», en forma de pares de átomos vibratorios conocidos como fermiones. Descubrieron que, cuando se enfrían y quedan atrapados en una red óptica, los pares de fermiones pueden existir simultáneamente en dos estados: un extraño fenómeno cuántico conocido como superposición. En este caso, los átomos mantenían una superposición de dos estados vibratorios, en los que el par se balanceaba uno contra otro y, al mismo tiempo, oscilaba al unísono.
El equipo logró mantener este estado de superposición entre cientos de pares vibratorios de fermiones. Así, consiguió un nuevo «registro cuántico», o sistema de qubits, que parece ser robusto durante períodos relativamente largos. El descubrimiento, publicado hoy en la revista Nature, demuestra que estos qubits oscilantes podrían ser una base prometedora para las futuras computadoras cuánticas.
Un qubit representa una unidad básica de la computación cuántica. Mientras que un bit clásico de las computadoras actuales realiza una serie de operaciones lógicas a partir de uno de dos estados, 0 o 1, un qubit puede existir en una superposición de ambos estados. En este delicado estado intermedio, un qubit debería poder comunicarse simultáneamente con muchos otros qubits y procesar varios flujos de información a la vez para resolver rápidamente problemas que a las computadoras clásicas les llevaría años procesar.
Hay muchos tipos de qubits: algunos se diseñan y otros existen de forma natural. La mayoría de los qubits son notoriamente inestables: o no pueden mantener su superposición o se resisten a comunicarse con otros qubits.
En comparación, el nuevo qubit del equipo del MIT parece ser extremadamente robusto: puede mantener una superposición entre dos estados vibratorios hasta 10 segundos, incluso en medio del ruido ambiental. El equipo cree que se podría hacer que los nuevos qubits vibratorios interactuaran brevemente y, potencialmente, realizaran decenas de miles de operaciones en un abrir y cerrar de ojos.
«Calculamos que estos qubits tardarían apenas un milisegundo en interactuar, así que podemos esperar 10.000 operaciones durante ese tiempo de coherencia, lo que podría competir con otras plataformas», afirma Martin Zwierlein, profesor de Física Thomas A. Frank del MIT. «Por tanto, hay una esperanza concreta de lograr que estos qubits hagan cálculos».
Zwierlein es coautor del artículo, junto con el autor principal, Thomas Hartke, Botond Oreg y Ningyuan Jia, todos integrantes del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.
Accidentes afortunados
El descubrimiento del equipo ocurrió inicialmente por casualidad. El grupo de Zwierlein estudia el comportamiento de los átomos a temperaturas ultrabajas y densidades ínfimas. Cuando los átomos se enfrían a temperaturas una millonésima parte de la del espacio interestelar y se aíslan a densidades una millonésima parte de la del aire, pueden surgir fenómenos cuánticos y nuevos estados de la materia.
En estas condiciones extremas, Zwierlein y sus colegas estudiaban el comportamiento de los fermiones. Técnicamente, un fermión se define como cualquier partícula cuyo espín sea un semientero impar, como los neutrones, protones y electrones. En términos prácticos, esto significa que los fermiones son intrínsecamente difíciles de manejar. Dos fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico, una propiedad conocida como principio de exclusión de Pauli. Por ejemplo, si un fermión tiene el espín hacia arriba, el otro debe tenerlo hacia abajo.
Los electrones son ejemplos clásicos de fermiones, y su exclusión mutua de Pauli es responsable de la estructura de los átomos y de la diversidad de la tabla periódica de los elementos, así como de la estabilidad de toda la materia del universo. También son fermiones todos los átomos que tienen un número impar de partículas elementales, pues estos átomos también se repelerían de forma natural.
El equipo de Zwierlein estudiaba por casualidad átomos fermiónicos de potasio-40. Enfriaron una nube de fermiones hasta 100 nanokelvin y utilizaron un sistema de láseres para generar una red óptica donde atrapar los átomos. Ajustaron las condiciones para que cada pozo de la red atrapara un par de fermiones. Al principio observaron que, en ciertas condiciones, cada par de fermiones parecía moverse al unísono, como una sola molécula.
Para investigar más a fondo este estado vibratorio, dieron un impulso a cada par de fermiones y luego tomaron imágenes de fluorescencia de los átomos en la red. Observaron que, de vez en cuando, la mayoría de los cuadrados de la red se oscurecían, lo que reflejaba pares unidos en una molécula. Pero, al seguir tomando imágenes del sistema, los átomos parecían reaparecer periódicamente, lo que indicaba que los pares oscilaban entre dos estados vibratorios cuánticos.
«En física experimental, a menudo se tiene una señal brillante y, al momento siguiente, todo se va al traste y no vuelve a aparecer», dice Zwierlein. «Aquí se apagó, pero luego volvió a brillar, y así sucesivamente. Esa oscilación demuestra que hay una superposición coherente que evoluciona con el tiempo. Fue un momento feliz».
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«Un leve zumbido»
Tras realizar más imágenes y cálculos, los físicos confirmaron que los pares de fermiones mantenían una superposición de dos estados vibratorios: se movían simultáneamente juntos, como dos péndulos oscilando al unísono, y también uno respecto del otro, o en sentidos opuestos.
«Oscilan entre estos dos estados a unos 144 hercios», señala Hartke. «Es una frecuencia que se podría oír, como un leve zumbido».
El equipo logró ajustar esta frecuencia y controlar los estados vibratorios de los pares de fermiones en tres órdenes de magnitud al aplicar y variar un campo magnético, mediante un efecto conocido como resonancia de Feshbach.
«Es como empezar con dos péndulos que no interactúan y, al aplicar un campo magnético, crear un resorte entre ellos. Podemos variar la fuerza de ese resorte y separar lentamente los péndulos», dice Zwierlein.
De esta manera, lograron manipular simultáneamente unos 400 pares de fermiones. Observaron que, como grupo, los qubits mantenían un estado de superposición hasta 10 segundos, antes de que los pares individuales colapsaran en uno u otro estado vibratorio.
«Demostramos que tenemos pleno control sobre los estados de estos qubits», afirma Zwierlein.
Para construir una computadora cuántica funcional con qubits vibratorios, el equipo tendrá que encontrar formas de controlar también pares individuales de fermiones, un problema que los físicos están cerca de resolver. El mayor desafío será encontrar la manera de que los qubits individuales se comuniquen entre sí. Para ello, Zwierlein tiene algunas ideas.
«Este es un sistema en el que sabemos que podemos hacer interactuar dos qubits», afirma. «Hay formas de reducir la barrera entre los pares para que se junten, interactúen y luego vuelvan a separarse durante aproximadamente un milisegundo. Por tanto, existe una vía clara para crear una puerta de dos qubits, que es lo que se necesitaría para construir una computadora cuántica».
Esta investigación contó, en parte, con el apoyo de la National Science Foundation, la Gordon and Betty Moore Foundation, la Vannevar Bush Faculty Fellowship y la Alexander von Humboldt Foundation.
