09 de enero de 2023 (
Noticias de Nanowerk) Al aprovechar la propia simetría inherente de la naturaleza, los investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia han encontrado una manera de controlar y comunicarse con el estado oscuro de los átomos. Este hallazgo abre otra puerta hacia la construcción de redes de computación cuántica y sensores cuánticos para detectar la escurridiza materia oscura del universo. “A la naturaleza le gustan las simetrías y a nosotros también. La base de nuestros experimentos es un truco de ingeniería innovador en el que controlamos y utilizamos las simetrías disponibles en un sistema que, de otro modo, es muy difícil de domesticar”, dice Aamir Ali, investigador en tecnología cuántica y autor principal del estudio. Las computadoras cuánticas tienen el potencial de superar ampliamente a las computadoras más avanzadas de la actualidad. Una computadora cuántica se basa en los llamados bits cuánticos, o qubits, que tienen la capacidad de estar en superposición de sus posibles estados, 0 y 1, al mismo tiempo. Este fenómeno permite que las computadoras cuánticas manejen una gran cantidad de datos. Sin embargo, las superposiciones son extremadamente frágiles, lo que significa que deben protegerse de interrupciones externas para evitar que se derrumben. Por lo tanto, construir una computadora cuántica a gran escala presenta un gran desafío, porque con un número creciente de qubits, el sistema colectivo se vuelve cada vez más frágil. Por esta razón, un campo de investigación clave es el desarrollo de grandes redes cuánticas donde las tareas informáticas se procesan y distribuyen a través de diferentes nodos de la red. Una forma atractiva de realizar este tipo de redes es utilizar átomos artificiales* como qubits. Los átomos interactúan naturalmente con la luz, absorbiendo o emitiendo fotones. Sin embargo, pueden existir conjuntos de dos o más átomos en estados de superposición particulares, denominados estados oscuros, en los que son completamente transparentes a la luz, lo que significa que ni la emiten ni la absorben. Estos estados oscuros tienen un gran potencial en la tecnología cuántica porque son inmunes a las influencias e interrupciones externas. Por la misma razón, controlar los estados oscuros y usarlos para intercambiar información es una tarea difícil.
Sintonizando las diminutas simetrías de los átomos
Ahora, investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han desarrollado un método simple y de alta precisión para controlar los estados oscuros de una molécula que consta de dos átomos artificiales interconectados. El estudio ha sido publicado en
Physical Review Letters (
"Ingeniería de acoplamientos selectivos de simetría de una molécula artificial superconductora a guías de ondas de microondas"). Desde alas de mariposa y copos de nieve hasta los componentes más diminutos de nuestro mundo físico, la naturaleza busca la simetría para crear equilibrio y armonía. Esto también es cierto para los niveles de energía en un átomo. Los qubits que usaron Aamir Ali y sus colegas consisten en dos átomos artificiales acoplados formados por circuitos superconductores**. Cuando las partículas de luz (fotones) se envían a los átomos a través de una guía de ondas***, pueden interactuar con los niveles de energía de dos simetrías diferentes disponibles. En investigaciones anteriores, solo se acopló una guía de ondas al qubit con acceso limitado a sus simetrías, pero los investigadores de Chalmers usaron dos guías de ondas, cada una acoplada por separado a uno de los estados simétricos. Debido a la distribución simétrica de la energía en los átomos artificiales, una de las guías de ondas estará acoplada a un estado oscuro y la otra a su estado brillante complementario. Esto los hace receptivos a ser manipulados y controlados independientemente unos de otros.
Nuevas aplicaciones en tecnologías cuánticas
Esta capacidad de controlar los estados oscuros presenta un nuevo enfoque para las aplicaciones en tecnologías cuánticas. Utilizando la ingeniería de los investigadores de Chalmers, es posible crear un entrelazamiento cuántico**** entre el estado oscuro y el estado brillante, lo que desbloquea nuevas formas de procesar la información cuántica y transmitirla en una red cuántica. Además, también permite el desarrollo de sensores que pueden absorber fotones de microondas de baja energía. Un detector de fotones en este dominio podría contribuir a la detección de materia oscura en el Universo. Los investigadores también utilizarán estos nuevos resultados en termodinámica para ver si las leyes de la mecánica cuántica se pueden utilizar para lograr ventajas en motores o baterías. “Podemos diseñar moléculas sintéticas con simetrías únicas, lo que conduce a formas novedosas para que estas moléculas interactúen con la luz de microondas. El concepto que demostramos es elegante y poderoso al mismo tiempo, con aplicaciones que van desde la computación cuántica distribuida hasta la fotodetección de microondas”, dice Simone Gasparinetti, jefa de investigación en física cuántica experimental y una de las autoras principales del estudio. La investigación se llevó a cabo en Chalmers en el marco del Centro Wallenberg para Tecnología Cuántica (WACQT), un programa de investigación integral, cuyo objetivo es hacer que la investigación sueca y la industria sean líderes en tecnología cuántica. “Uno de los principales objetivos de WACQT es construir una computadora cuántica. Pero hay más que eso. Hemos creado un entorno que alienta a los investigadores a explorar caminos menos transitados mientras se benefician de la infraestructura y la experiencia en tecnologías cuánticas, y este trabajo es un ejemplo de ello”, dice Simone Gasparinetti.
Cómo funciona
Los átomos artificiales consisten en circuitos electrónicos que, al igual que los átomos reales, solo pueden ocupar un conjunto de ciertos niveles de energía, discretos. Cuando se acoplan a las dos guías de ondas, crean una estructura compartida que utiliza la interferencia cuántica para conectar las guías de ondas a dos simetrías diferentes que pueden asumir los niveles de energía de los átomos. Gracias a este acoplamiento a las simetrías, es fácil simplemente seleccionar y diseñar las transiciones de energía. Esto se puede hacer mucho más fácil y eficazmente de lo que se ha demostrado antes, sin necesidad de emplear un control sofisticado de fase y pulso, que es típico en la arquitectura estándar.
Glosario
*
Átomo artificial: Una pequeña cantidad de material conductor que mantiene los niveles de carga y energía de la misma manera que los átomos reales. Y al igual que los átomos reales, cambia su estado emitiendo o absorbiendo luz a una frecuencia particular. Los átomos artificiales utilizados por los investigadores de Chalmers están hechos de circuitos superconductores e intercambian luz a frecuencias de microondas. **
Superconductividad es la propiedad de ciertos materiales para conducir electricidad de corriente continua sin pérdida de energía cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica. ***
Guía de Ondas: Estructura que enruta los fotones en señales de microondas ****
Entrelazamiento cuántico: Fenómeno que fue galardonado con el Premio Nobel de física en 2022. Cuando las partículas se entrelazan, un cambio en una de las partículas hará que las características de las otras partículas también cambien, sin importar la distancia entre ellas.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62111.php
