Utilizan luz para detectar información cuántica almacenada en una nube de 100.000 bits cuánticos nucleares

Investigadores han encontrado una forma de utilizar la luz y un solo electrón para comunicarse con una nube de bits cuánticos y detectar su comportamiento, lo que hace posible detectar un solo bit cuántico en una nube densa.

Investigadores, de la Universidad de Cambridge, pudieron inyectar una “aguja” de información cuántica muy frágil en un “pajar” de 100.000 núcleos.

Usando láseres para controlar un electrón, los investigadores podían usar ese electrón para controlar el comportamiento del pajar, haciendo más fácil encontrar la aguja.

Pudieron detectar la “aguja” con una precisión de 1,9 partes por millón: lo suficientemente alta como para detectar un solo bit cuántico en este gran conjunto.

La técnica permite enviar ópticamente información cuántica altamente frágil a un sistema nuclear para su almacenamiento y verificar su huella con una perturbación mínima, un paso importante en el desarrollo de una Internet cuántica basada en fuentes de luz cuántica.

Los resultados se publican en la revista Nature Physics.

Las primeras computadoras cuánticas, que aprovecharán el extraño comportamiento de las partículas subatómicas para superar con creces incluso a las supercomputadoras más poderosas, están en el horizonte.

Sin embargo, aprovechar todo su potencial requerirá una forma de conectarlos en red: una Internet cuántica.

Los canales de luz que transmiten información cuántica son candidatos prometedores para una Internet cuántica, y actualmente no hay mejor fuente de luz cuántica que el punto cuántico semiconductor: pequeños cristales que son esencialmente átomos artificiales.

Sin embargo, una cosa se interpone en el camino de los puntos cuánticos y de una Internet cuántica: la capacidad de almacenar información cuántica temporalmente en puestos de ensayo a lo largo de la red.

“La solución a este problema es almacenar la frágil información cuántica ocultándola en la nube de 100.000 núcleos atómicos que contiene cada punto cuántico, como una aguja en un pajar“, dijo el profesor Mete Atatüre del Laboratorio Cavendish de Cambridge, quien dirigió la investigación.

“Pero si tratamos de comunicarnos con estos núcleos como nos comunicamos con bits, tienden a ‘voltearse’ al azar, creando un sistema ruidoso“.

La nube de bits cuánticos contenida en un punto cuántico normalmente no actúa en un estado colectivo, por lo que es un desafío obtener información dentro o fuera de ellos.

Sin embargo, Atatüre y sus colegas demostraron en 2019 que cuando se enfrían a temperaturas ultrabajas también usando luz, estos núcleos pueden hacer “bailes cuánticos” al unísono, reduciendo significativamente la cantidad de ruido en el sistema.

Ahora, han mostrado otro paso fundamental hacia el almacenamiento y recuperación de información cuántica en los núcleos.

Al controlar el estado colectivo de los 100.000 núcleos, pudieron detectar la existencia de la información cuántica como un ‘bit cuántico volteado’ con una precisión ultra alta de 1,9 partes por millón: suficiente para ver un solo bit voltearse en la nube de núcleos.

“Técnicamente, esto es extremadamente exigente“, dijo Atatüre, quien también es miembro del St John’s College.

“No tenemos una forma de ‘hablar’ con la nube y la nube no tiene una forma de hablarnos.

Pero podemos hablar con un electrón: podemos comunicarnos con él como un perro que pastorea ovejas“.

Usando la luz de un láser, los investigadores pueden comunicarse con un electrón, que luego se comunica con los espines, o momento angular inherente, de los núcleos.

Al hablar con el electrón, el conjunto caótico de espines comienza a enfriarse y reunirse alrededor del electrón pastor; fuera de este estado más ordenado, el electrón puede crear ondas de espín en los núcleos.

“Si imaginamos nuestra nube de espines como un rebaño de 100.000 ovejas moviéndose al azar, una oveja que cambia repentinamente de dirección es difícil de ver”, dijo Atatüre.

“Pero si todo el rebaño se mueve como una ola bien definida, entonces una sola oveja que cambia de dirección se vuelve muy notable“.

En otras palabras, inyectar una onda de espín hecha de un solo espín de espín nuclear en el conjunto hace que sea más fácil detectar un solo espín de espín nuclear entre 100.000 espines nucleares.

Con esta técnica, los investigadores pueden enviar información al bit cuántico y “escuchar” lo que dicen los espines con una perturbación mínima, hasta el límite fundamental establecido por la mecánica cuántica.

“Habiendo aprovechado esta capacidad de control y detección sobre este gran conjunto de núcleos, nuestro próximo paso será demostrar el almacenamiento y recuperación de un bit cuántico arbitrario del registro de espín nuclear”, dijo el coautor Daniel Jackson, estudiante de doctorado en el Laboratorio Cavendish.

“Este paso completará una memoria cuántica conectada a la luz, un componente importante en el camino hacia la realización de la Internet cuántica“, dijo el coautor Dorian Gangloff, investigador en St John’s College.

Además de su uso potencial para una futura Internet cuántica, la técnica también podría ser útil en el desarrollo de la computación cuántica de estado sólido.

Fuente: University of Cambridge