Se han utilizado dos átomos inflados a un tamaño casi cómico y enfriados a una fracción por encima del cero absoluto para generar una puerta cuántica de dos qubits robusta e increíblemente rápida que podría ayudar a superar algunos de los desafíos persistentes de la computación cuántica.
Dado que una puerta de dos qubits es el bloque de construcción fundamental de las computadoras cuánticas eficientes, este avance tiene enormes implicaciones. Podría conducir a un nuevo tipo de arquitectura de computadora cuántica que supere las limitaciones actuales para las operaciones cuánticas libres de ruido.
Qubit es una contracción, abreviatura del término “bit cuántico”. Es el equivalente informático cuántico de un bit convencional: la unidad básica de información en la que se basa la tecnología informática.
Para resolver un problema a la antigua usanza, la información (y la lógica utilizada para calcularla) se representa mediante un sistema binario. Como un interruptor de luz, las unidades que componen este sistema están todas en un estado exclusivo de encendido o apagado. O, como a menudo se los describe, como uno o cero.
Lo que hace que la computación cuántica sea mucho más poderosa es que los qubits pueden ser ambos simultáneamente, como un estado conocido como superposición cuántica. Por sí solo, un qubit no es una gran computadora. Sin embargo, combinados (o enredados) con las superposiciones de otros qubits, pueden representar algunos algoritmos muy poderosos.
La puerta de dos qubits es una operación lógica basada en el estado cuántico de dos qubits entrelazados. Es el componente más simple de una computadora cuántica, lo que permite que los cúbits se enreden y lean.
Los científicos han estado experimentando con puertas cuánticas basadas en diferentes materiales durante algún tiempo y han logrado avances extraordinarios. Sin embargo, un problema sigue siendo importante: las superposiciones de los qubits pueden degradarse rápida y fácilmente gracias a que las fuentes externas también se enredan.
Acelerar la puerta es la mejor manera de resolver este problema: dado que esa intrusión es generalmente más lenta que una millonésima de segundo (un microsegundo), una puerta cuántica que es más rápida que esto podrá “superar” el ruido para producir calculos
Para inclinarse hacia este objetivo utilizando un enfoque ligeramente diferente al habitual, un equipo de investigadores dirigido por el físico Yeelai Chew de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón recurrió a una configuración complicada.
Los propios qubits son átomos del metal rubidio en su estado gaseoso. Usando láseres, estos átomos se enfriaron hasta casi el cero absoluto y se colocaron a una distancia precisa de escala micrométrica entre sí usando pinzas ópticas – rayos láser que se pueden utilizar para manipular objetos a escala atómica.
Luego, los físicos pulsaron los átomos con láseres. Esto golpeó a los electrones desde la distancia orbital más cercana a cada uno de los núcleos atómicos en una separación orbital muy amplia, inflando los átomos en objetos conocidos como átomos de Rydberg. Esto produjo un intercambio periódico de 6,5 nanosegundos de forma orbital y energía electrónica entre los ahora enormes átomos.
Usando más pulsos de láser, el equipo de investigación pudo realizar una operación de puerta cuántica entre los dos átomos. La velocidad de esa operación fue de 6,5 mil millonésimas de segundo (nanosegundos), más de 100 veces más rápido que cualquier experimento anterior con átomos de Rydberg, dijeron los investigadores, lo que establece un nuevo récord para puertas cuánticas basadas en este tipo particular de tecnología.
Eso no supera el récord general de las operaciones de puerta cuántica de dos qubits más rápidas hasta el momento. Eso se logró en 2019, utilizando átomos de fósforo en silicio, logrando un alucinante 0,8 nanosegundos; pero el nuevo trabajo implica un enfoque diferente que podría eludir algunas de las limitaciones de otros tipos actualmente en desarrollo.
Además, explorar diferentes arquitecturas podría conducir a pistas que ayuden a minimizar las deficiencias en otros tipos de hardware.
Los próximos pasos, dijo el equipo, son bastante claros. Necesitan reemplazar el láser comercial por uno especialmente diseñado para mejorar la precisión, ya que el láser puede contribuir al ruido; e implementar mejores técnicas de control.
La investigación ha sido publicada en Fotónica de la naturaleza.