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Un grupo de científicos de Estados Unidos ha realizado avances nuevos en circuitos de estado sólido que podrían permitir a los qubits superconductores alcanzar tiempos de coherencia más largos, una característica esencial de la física cuántica. Los átomos artificiales a base de superconductores son uno de los candidatos con mayores posibilidades para convertirse en los bloques de construcción de la computación cuántica. Mantener la coherencia de largo alcance en los bits superconductores es necesario para hacer realidad la computación en la práctica.
Un grupo de científicos del Argonne National Laboratory de EEUU ha realizado avances nuevos en circuitos de estado sólido que podrían permitir a los qubits superconductores alcanzar tiempos de coherencia más largos, una característica esencial de la física cuántica.
Los átomos artificiales a base de superconductores son uno de los candidatos con mayores posibilidades para convertirse en los bloques de construcción de la computación cuántica.
Los Científicos han logrado leer información en un qubit y mantener intacto el estado cuántico durante más de 5 segundos, un récord para esta clase de dispositivos. Tanto el entrelazamiento óptico como el entrelazamiento en estado sólido ofrecen rutas posibles hacia la computación cuántica y las comunicaciones seguras.
Los átomos artificiales comparten la misma física y los mismos conceptos que la electrodinámica cuántica de cavidades, en la arquitectura de estado sólido llamada electrodinámica cuántica de circuitos.
Además, los qubits de los investigadores están hechos de un material fácil de usar llamado carburo de silicio, que se encuentra ampliamente en bombillas, vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos de alto voltaje. Los hallazgos se publican en Science Advances.
“Es poco común tener información cuántica preservada en estas escalas de tiempo humanas”, dijo en un comunicado David Awschalom, científico principal del Laboratorio Nacional de Argonne, director del centro de investigación cuántica Q-NEXT.
A pesar de que la electrodinámica cuántica de circuitos ha avanzado de forma espectacular a lo largo de los años, conservar la coherencia de los qubits superconductores sigue siendo difícil, a menudo porque estos sistemas se acoplan fuertemente con los campos electromagnéticos. Es necesario que los circuitos sean no disipativos, de manera que las señales circulen de una parte del circuito a otra sin pérdidas de energía y, en consecuencia, sin perder la coherencia.
“Cinco segundos es suficiente para enviar una señal a la velocidad de la luz a la luna y regresar. Eso es potente si está pensando en transmitir información de un qubit a alguien a través de la luz. Esa luz seguirá reflejando correctamente el estado del qubit incluso después de haber dado la vuelta a la Tierra casi 40 veces, allanando el camino para hacer una Internet cuántica distribuida”.
El equipo configuró un experimento en el que qubits transmones hechos de aluminio se acoplaron a un resonador 3D. El objetivo fue analizar con más detalle los mecanismos dominantes de relajación energética, incluidos los efectos de tunelización de cuasipartículas. Para la implementación física de qubits basados en espín, los científicos aprovecharon los centros de vacantes de nitrógeno, un tipo especial de defecto que se produce en los diamantes, acoplando los espines de los electrones de esos centros a resonadores.
Mediante la incorporación de características de cavidades 3D mecanizadas, como sustratos atacados en profundidad y grandes huecos capacitivos en resonadores planos (2D), se logró reducir las diferencias de rendimiento entre los dos tipos de dispositivos.
“Esencialmente, esto trae al carburo de silicio a la vanguardia como una plataforma de comunicación cuántica”, dijo la estudiante graduada de la Universidad de Chicago, Elena Glen, coautora del artículo. “Esto es emocionante porque es fácil de escalar, ya que sabemos cómo fabricar dispositivos útiles con este material”.
Finalmente, el equipo obtuvo qubits de flujo y caracterizó las pérdidas de coherencia de estos bits superconductores acoplados al resonador.
Los investigadores utilizan pulsos de láser cuidadosamente diseñados para agregar un sólo electrón a su qubit dependiendo de su estado cuántico inicial, ya sea cero o uno. Luego, el qubit se lee de la misma manera que antes, con un láser.
“Solo que ahora, la luz emitida refleja la ausencia o presencia del electrón, y con casi 10.000 veces más señal”, dijo Glen. “Al convertir nuestro estado cuántico frágil en cargas electrónicas estables, podemos medir nuestro estado mucho, mucho más fácilmente. Con este aumento de señal, podemos obtener una respuesta confiable cada vez que verificamos en qué estado se encuentra el qubit. Este tipo de medición se denomina ‘lectura de disparo único’ y, con ella, podemos desbloquear muchas tecnologías cuánticas útiles”.
Armados con el método de lectura de un solo disparo, los científicos podrían concentrarse en hacer que sus estados cuánticos duren el mayor tiempo posible, un desafío notorio para las tecnologías cuánticas, porque los qubits pierden fácilmente su información debido al ruido en su entorno.
“Por ejemplo, este nuevo tiempo récord significa que podemos realizar más de 100 millones de operaciones cuánticas antes de que nuestro estado se codifique“, dijo Anderson.
Mantener la coherencia de largo alcance en los bits superconductores es necesario para hacer realidad la computación en la práctica. De lo contrario, toda la magia cuántica desaparece. El acoplamiento fuerte de un qubit superconductor con un resonador 3D crea nuevas posibilidades para la computación cuántica y permite tiempos de coherencia mayores en dos órdenes de magnitud.
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