El período de tiempo que los bits cuánticos (qubits) conservan su naturaleza cuántica es crucial para la computación cuántica porque determina la cantidad y la complejidad de los cálculos que pueden realizar. Durante décadas, la opinión generalizada ha sido que aumentar este llamado tiempo de coherencia significaba proteger los qubits entre sí y de perturbaciones externas. Ahora, sin embargo, investigadores del Instituto Paul Scherrer de Suiza, ETH Zurich y EPF Lausanne han dado la vuelta a esta idea al demostrar que algunos qubits pueden sobrevivir durante períodos más largos en un entorno ruidoso.

Al igual que las computadoras clásicas que almacenan información en bits que tienen valores de 0 o 1, la computación cuántica se basa en sistemas que existen en dos estados posibles. La diferencia es que los qubits también pueden estar en una superposición de estos dos estados. Es esta ambigüedad la que les permite realizar ciertos cálculos mucho más rápidamente que las máquinas clásicas, pero los estados cuánticos son frágiles y tienden a descoherirse, lo que significa que vuelven a comportarse como los 0 y 1 clásicos, perdiendo su preciosa información cuántica.

En el último trabajo, investigadores dirigidos por un científico en fotónica Gabriel Aappli estudiaron qubits de estado sólido fabricados a partir de iones de terbio dopados en cristales de fluoruro de itrio y litio (YLiF₄). Estos iones poseen dos niveles cuánticos bajos con una diferencia de energía en el dominio de frecuencia de las comunicaciones 5G, y son estos sistemas de dos estados los que los investigadores utilizaron como sus qubits. Descubrieron que, si bien la mayoría de los qubits experimentan sólo tiempos de coherencia promedio, los pocos qubits que se forman en pares de iones de terbio ubicados muy juntos resultan ser "exquisitamente coherentes".

Picos agudos y distintos

Los investigadores observaron estos qubits inusualmente coherentes utilizando espectroscopia de microondas y sondas de eco de espín, que se emplean habitualmente para medir los tiempos de coherencia. Encontraron picos muy nítidos y distintos en sus mediciones de eco, correspondientes a tiempos de coherencia mucho más largos (100 veces más largos en algunos casos) para los qubits de iones pares que para los qubits ubicados a distancias promedio de sus vecinos. El equipo explica estos largos tiempos de coherencia observando que los iones emparejados no pueden intercambiar energía con iones individuales cercanos y, por lo tanto, no se ven perturbados por las interacciones con ellos.

"El objetivo de esta investigación era demostrar que es posible generar superposiciones cuánticas coherentes de niveles de campos cristalinos (diferentes organizaciones de baja energía de los electrones en los iones de tierras raras), incluso con concentraciones de iones bastante altas", explica miembro del equipo Markus Müller. "Al principio, no estaba del todo claro que pudiéramos ver alguna coherencia en un ambiente tan ruidoso y fue un descubrimiento inesperado que la coherencia era altamente no uniforme entre las entidades dopadas y que las 'islas' de alta coherencia pueden sobrevivir."

El descubrimiento podría servir de base para el diseño de arquitecturas de computación cuántica, añade, especialmente para esquemas en los que los qubits se implantan aleatoriamente en una matriz anfitriona. Otras posibles aplicaciones incluyen el uso de qubits como sensores cuánticos para la dinámica magnética en sus entornos. Esto podría, por ejemplo, permitir a los investigadores investigar la velocidad de difusión del espín en sistemas acoplados dipolares aleatorios en estudios de localización de muchos cuerpos y el papel que desempeñan las interacciones dipolares en su degradación.

Optimización de la sensibilidad del par de qubits

De cara al futuro, los investigadores pretenden optimizar la sensibilidad de sus pares de qubits y recrear superposiciones cuánticas de estados electronucleares locales en materiales anfitriones que estén libres de espín nuclear. La eliminación del espín nuclear minimizará las fuentes no deseadas de ruido magnético, que en YLiF₄ surgen principalmente del espín de los átomos de flúor.

“También intentaremos lograr superposiciones coherentes similares de estados iónicos con diferentes momentos angulares”, revela Müller. “Estos ampliarán el rango de frecuencias de excitación desde la región de microondas (30 GHz) que empleamos actualmente hasta el rango óptico, donde la disponibilidad de láseres potentes permite tiempos de excitación más rápidos (frecuencias de Rabi). De hecho, ya hemos obtenido resultados preliminares prometedores en esta dirección”.

El equipo también está explorando formas de utilizar pares de dopantes en el contexto del procesamiento de información cuántica o la computación con dopantes en silicio.

El estudio se detalla en Física de la naturaleza.

• Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
• PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
• PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
• PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
• PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
• Fuente: https://physicsworld.com/a/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/