El autor principal, Philip Gregory, junto con los láseres utilizados para enfriar átomos de Rb y C ultrafríos antes de formar moléculas de RbC. Crédito: Gregory et al.
Las moléculas tienen una estructura muy compleja y rica, lo que les permite rotar y vibrar libremente. Como resultado, tienen un espacio casi ilimitado en el que los informáticos pueden codificar información cuántica. Además de su vasta área interna, las moléculas son capaces de interacciones de largo alcance y, por lo tanto, pueden enredarse con otras moléculas separadas.
Debido a estas cualidades beneficiosas, muchos ingenieros y físicos han investigado el uso potencial de partículas para aplicaciones de computación cuántica. Si bien algunas computadoras cuánticas basadas en partículas han tenido resultados prometedores, los científicos han descubierto que los qubits almacenados en moléculas son vulnerables a la decoherencia (es decir, la pérdida de información transmitida desde el sistema cuántico a su entorno circundante).
Investigadores de la Universidad de Durham en el Reino Unido realizaron recientemente un estudio destinado a investigar la posibilidad de que la información cuántica se almacene en moléculas polares ultrafrías. En su artículo publicado en Física de la naturalezaEl equipo logró demostrar que los qubits se almacenan en moléculas al tiempo que reducen la decoherencia, lo que podría tener importantes implicaciones para el desarrollo de herramientas de computación cuántica.
«Uno de los mayores desafíos para todas las plataformas de computación cuántica es desarrollar métodos de ingeniería que eviten perder información cuántica a través de la decoherencia», dijeron a Phys.org por correo electrónico Philippe de Gregory y Simon L. Corniche, dos de los investigadores que realizaron el estudio. . «Así que nuestro objetivo principal era demostrar que la información cuántica se puede almacenar en una molécula durante períodos excepcionalmente largos, satisfaciendo así uno de los requisitos para construir una computadora cuántica utilizando partículas ultrafrías».
El objetivo principal del trabajo reciente de Gregory, Cornish y sus colegas fue identificar, comprender y, en última instancia, eliminar todas las fuentes de decoherencia experimentalmente relevantes en los qubits almacenados en moléculas. Primero, el equipo midió la coherencia en su sistema cuántico utilizando una técnica conocida como interferometría de Ramsey en diferentes estados de qubit. Luego recrearon una superposición de estados qubit utilizando microondas y permitieron que el sistema evolucionara con el tiempo.
El aparato experimental utilizado para generar y realizar estos experimentos son las partículas de RbCs ultrafrías. Crédito: Gregory et al.
«Para probar la coherencia, usamos un segundo pulso de microondas que conduce a una interferencia dependiente de la fase entre la población del estado», explicaron Gregory y Cornish. «Lo que observamos son oscilaciones en el número de partículas en cualquier estado de qubit en función del tiempo, y también encontramos que la decoherencia se caracteriza por una reducción en la amplitud o anisotropía de esas oscilaciones».
Usando su método basado en pulsos de microondas, Gregory, Cornish y sus colegas pudieron examinar el tiempo de coherencia en función de cualquier parámetro utilizado en su experimento (por ejemplo, el campo magnético o la polarización de la luz atrapada), simplemente cambiando el valor del parámetro para el período entre pulsos de microondas en una secuencia simbólica. Finalmente, compararon sus hallazgos con un modelo detallado del espín y la estructura diminuta de la molécula en la que se almacenaba el qubit. Esto les permitió comprender los roles únicos de las diferentes interacciones dentro de la molécula que pueden contribuir a la pérdida de cohesión del sistema.
«Nuestro logro más importante es la eliminación de las fuentes de decoherencia en nuestro experimento», dijeron Gregory y Cornish. «Esto tiene implicaciones para la computación cuántica con partículas extremadamente frías, donde la información cuántica ahora puede almacenarse durante períodos de tiempo mucho más largos».
En su experimento, los investigadores pudieron eliminar la sensibilidad al ruido del campo magnético al identificar un par de estados ultrafinos que, cuando se exponen a un campo magnético específico, tienen una diferencia de energía entre ellos que no depende de pequeños cambios en el campo magnético. Además, Gregory, Cornish y sus colegas detectaron un cambio sutil a la luz de la tensión entre los estados qubit. Sin embargo, muestran que este cambio también se puede eliminar mediante una selección cuidadosa del ángulo de polarización del láser atrapado.
Demostración de un qubit de almacenamiento fuerte en RbC. Las franjas de Ramsey de alto contraste se observan como oscilaciones en las partículas restantes en uno de los estados qubit. Estas fluctuaciones duran al menos 5,6 segundos con un nivel de confianza del 95%. Crédito: Gregory et al.
“Sorprendentemente, después de eliminar todas las fuentes de decoherencia, encontramos que el tiempo de coherencia era mucho más largo que la vida útil de nuestro gas molecular (que está limitado por la pérdida por colisión)”, dijeron Gregory y Cornish.
En el futuro, este trabajo podría ayudar al desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas que almacenan información dentro de las moléculas. Además, podría tener implicaciones valiosas para el rango de mediciones, ya que las técnicas utilizadas por Gregory, Cornish y sus colegas permiten tiempos de reacción particularmente largos con las moléculas. Esto significa que se puede utilizar para recopilar mediciones de alta resolución en estados ultrafinos de moléculas, lo que a su vez podría ampliar la comprensión actual de su estructura interna.
«Los procesos de compuerta con moléculas ultrafrías son posibles usando interacciones dipolo-dipolo», dijeron Gregory y Cornish. «Se puede acceder a tales interacciones usando los estados de espín de la molécula. Actualmente estamos desarrollando una trampa mágica de espín, donde el desplazamiento de la luz y los primeros estados excitados alternos son idénticos. Tal trampa permitiría una consistencia prolongada entre los estados de espín, que sería importante para implementar puertas entrelazadas de alta resolución, así como estudiar modelos relacionados con el magnetismo cuántico.
Para muchas aplicaciones de la computación cuántica, el uso de partículas ultrafrías solo es factible si las partículas están confinadas dentro de una matriz espacial controlable que se pueda observar y acceder individualmente. Por lo tanto, Gregory, Cornish y sus colegas ahora también están trabajando en una estrategia para cargar moléculas en redes ópticas y ensamblar moléculas individuales en matrices, almacenándolas dentro de pinzas ópticas.
«Aislar las moléculas de esta manera también evitará colisiones entre moléculas», agregaron Gregory y Cornish. «Esto aumentará aún más el tiempo de reacción disponible y nos permitirá establecer mejores límites en el tiempo de coherencia en el futuro».
Protección del horno microondas
Gregory et al., Cúbits de almacenamiento fuerte en moléculas polares ultrafrías, Física de la naturaleza (2021). DOI: 10.1038 / s41567-021-01328-7
© 2021 Science X Network
La frase: Estudio demuestra un almacenamiento robusto de qubits en moléculas polares ultrafrías (2021, 27 de septiembre) Recuperado el 27 de septiembre de 2021 de https://phys.org/news/2021-09-robust-storage-qubits-ultracold-polar.html
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