Logran potenciar las señales cuánticas mientras reducen el ruido

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Reducir el ruido en un ancho de banda de frecuencia amplio en un sistema cuántico podría conducir a mediciones cuánticas más rápidas y precisas.

Una cierta cantidad de ruido es inherente a cualquier sistema cuántico.

Por ejemplo, cuando los investigadores quieren leer información de una computadora cuántica, que aprovecha los fenómenos mecánicos cuánticos para resolver ciertos problemas demasiado complejos para las computadoras clásicas, la misma mecánica cuántica también imparte un nivel mínimo de error inevitable que limita la precisión de las mediciones.

Los científicos pueden eludir esta limitación de manera efectiva mediante el uso de amplificación “paramétrica” para “comprimir” el ruido, un fenómeno cuántico que disminuye el ruido que afecta a una variable mientras aumenta el ruido que afecta a su pareja conjugada.

Si bien la cantidad total de ruido sigue siendo la misma, se redistribuye de manera efectiva.

Luego, los investigadores pueden realizar mediciones más precisas observando solo la variable de menor ruido.

Un equipo de investigadores del MIT y de otros lugares ha desarrollado ahora un nuevo amplificador paramétrico superconductor que funciona con la ganancia de los exprimidores de banda estrecha anteriores al tiempo que logra la compresión cuántica en anchos de banda mucho mayores.

Su trabajo es el primero en demostrar compresión en un amplio ancho de banda de frecuencia de hasta 1,75 gigahercios mientras se mantiene un alto grado de compresión (reducción selectiva de ruido).

En comparación, los amplificadores paramétricos de microondas anteriores generalmente lograban anchos de banda de solo 100 megahercios o menos.

Este nuevo dispositivo de banda ancha puede permitir a los científicos leer información cuántica de manera mucho más eficiente, lo que conducirá a sistemas cuánticos más rápidos y precisos.

Al reducir el error en las mediciones, esta arquitectura podría utilizarse en sistemas multiqubit u otras aplicaciones metrológicas que exijan una precisión extrema.

“A medida que crece el campo de la computación cuántica y la cantidad de qubits en estos sistemas aumenta a miles o más, necesitaremos amplificación de banda ancha.

Con nuestra arquitectura, con solo un amplificador teóricamente podrías leer miles de qubits al mismo tiempo”, dice el estudiante graduado de ingeniería eléctrica e informática Jack Qiu, miembro del Grupo de Ingeniería de Sistemas Cuánticos y autor principal del artículo que detalla este avance.

Los autores principales son William D. Oliver, profesor Henry Ellis Warren de ingeniería eléctrica e informática y de física, director del Centro de Ingeniería Cuántica y director asociado del Laboratorio de Investigación de Electrónica; y Kevin P. O’Brien, profesor de Emanuel E. Landsman Career Development de ingeniería eléctrica e informática.

Los circuitos cuánticos superconductores, como bits cuánticos o “qubits“, procesan y transfieren información en sistemas cuánticos.

Esta información es transportada por señales electromagnéticas de microondas que comprenden fotones.

Pero estas señales pueden ser extremadamente débiles, por lo que los investigadores usan amplificadores para aumentar el nivel de la señal de modo que se puedan realizar mediciones limpias.

Sin embargo, una propiedad cuántica conocida como el Principio de Incertidumbre de Heisenberg requiere que se agregue una cantidad mínima de ruido durante el proceso de amplificación, lo que lleva al “límite cuántico estándar” del ruido de fondo.

Sin embargo, un dispositivo especial, llamado amplificador paramétrico Josephson, puede reducir el ruido agregado al “apretarlo” por debajo del límite fundamental al redistribuirlo de manera efectiva en otros lugares.

La información cuántica se representa en las variables conjugadas, por ejemplo, la amplitud y la fase de las ondas electromagnéticas.

Sin embargo, en muchos casos, los investigadores solo necesitan medir una de estas variables, la amplitud o la fase, para determinar el estado cuántico del sistema.

En estos casos, pueden “exprimir el ruido”, reduciéndolo para una variable, digamos la amplitud, mientras lo elevan para la otra, en este caso la fase.

La cantidad total de ruido se mantiene igual debido al Principio de Incertidumbre de Heisenberg, pero su distribución puede configurarse de tal manera que sea posible realizar mediciones con menos ruido en una de las variables.

Un amplificador paramétrico Josephson convencional está basado en un resonador: es como una cámara de eco con un elemento no lineal superconductor llamado unión Josephson en el medio.

Los fotones ingresan a la cámara de eco y rebotan para interactuar con la misma unión de Josephson varias veces.

En este entorno, la no linealidad del sistema, realizada por la unión de Josephson, se mejora y conduce a la amplificación y compresión paramétrica.

Pero, dado que los fotones atraviesan la misma unión de Josephson muchas veces antes de salir, la unión está estresada.

Como resultado, tanto el ancho de banda como la señal máxima que puede admitir el amplificador basado en resonador son limitados.

Los investigadores del MIT adoptaron un enfoque diferente.

En lugar de incorporar una o varias uniones Josephson dentro de un resonador, encadenaron más de 3000 uniones, creando lo que se conoce como un amplificador paramétrico de onda viajera Josephson.

Los fotones interactúan entre sí a medida que viajan de unión en unión, lo que resulta en una compresión de ruido sin estresar ninguna unión individual.

Su sistema de onda viajera puede tolerar señales de potencia mucho más altas que los amplificadores Josephson basados en resonador sin la restricción de ancho de banda del resonador, lo que lleva a una amplificación de banda ancha y altos niveles de compresión, dice Qiu.

“Puede pensar en este sistema como una fibra óptica realmente larga, otro tipo de amplificador paramétrico no lineal distribuido.

Y podemos empujar a 10,000 uniones o más. Este es un sistema extensible, a diferencia de la arquitectura resonante”, dice.

Un par de fotones de bombeo ingresan al dispositivo, sirviendo como fuente de energía.

Los investigadores pueden ajustar la frecuencia de los fotones que provienen de cada bomba para generar compresión en la frecuencia de la señal deseada.

Por ejemplo, si quieren exprimir una señal de 6 gigahercios, ajustarían las bombas para enviar fotones a 5 y 7 gigahercios, respectivamente.

Cuando los fotones de la bomba interactúan dentro del dispositivo, se combinan para producir una señal amplificada con una frecuencia justo en el medio de las dos bombas.

Este es un proceso especial de un fenómeno más genérico llamado mezcla de ondas no lineales.

“La compresión del ruido resulta de un efecto de interferencia cuántica de dos fotones que surge durante el proceso paramétrico”, explica.

Esta arquitectura les permitió reducir la potencia del ruido en un factor 10 por debajo del límite cuántico fundamental mientras operaban con un ancho de banda de amplificación de 3,5 gigahercios, un rango de frecuencia que es casi dos órdenes de magnitud mayor que los dispositivos anteriores.

Su dispositivo también demuestra la generación de banda ancha de pares de fotones entrelazados, lo que podría permitir a los investigadores leer información cuántica de manera más eficiente con una relación señal-ruido mucho más alta, dice Qiu.

Si bien Qiu y sus colaboradores están entusiasmados con estos resultados, dice que todavía hay margen de mejora.

Los materiales que usaron para fabricar el amplificador presentan cierta pérdida de microondas, lo que puede reducir el rendimiento.

En el futuro, están explorando diferentes métodos de fabricación que podrían mejorar la pérdida de inserción.

“Este trabajo no pretende ser un proyecto independiente.

Tiene un enorme potencial si lo aplica a otros sistemas cuánticos: para interactuar con un sistema qubit para mejorar la lectura, o para entrelazar qubits, o ampliar el rango de frecuencia de funcionamiento del dispositivo para utilizarlo en la detección de materia oscura y mejorar su eficiencia de detección.

Esto es esencialmente como un modelo para el trabajo futuro”, dice.

Fuente: MIT News