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Unidad magnética de almacenamiento de datos más pequeña del mundo
Científicos de IBM y el German Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) han construido la unidad más pequeña del mundo de almacenamiento magnético de datos. Se utilizan sólo doce átomos por bit, la unidad básica de información, y almacena un byte (octeto) entero (8 bits) en tan sólo 96 átomos. Un disco duro moderno, en comparación, todavía necesita más de la mitad de mil millones de átomos por byte.
El equipo presentó su trabajo en la revista Science el 13 de enero de 2012. CFEL es una empresa conjunta del centro de investigación Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, en Hamburgo, Max-Planck-Society (MPG) y la Universidad de Hamburgo. «Con CFEL los socios han establecido una institución innovadora en el campus de DESY, investigaciones de alto nivel a través de un amplio espectro de disciplinas», dice el director de investigación de DESY Edgar Weckert.
Los datos de la unidad de almacenamiento nanométrica se construyeron átomo por átomo con la ayuda de un microscopio de efecto túnel (STM) en el Almaden Research Center de IBM en San José, California (EE.UU.). Los investigadores construyeron un patrón regular de los átomos de hierro, alinearlas en filas de seis átomos cada uno. Dos filas son suficientes para almacenar un bit. Un byte correspondiente consta de ocho pares de filas átomos. Se utiliza sólo un área de cuatro por 16 nanómetros (un nanómetro es una millonésima de milímetro). «Esto corresponde a una densidad de almacenamiento que es cien veces mayor en comparación con un disco duro moderno», explica Sebastián Loth de CFEL, autor principal del artículo publicado en Science.
Los datos se escriben y se leen de la unidad de almacenamiento con la ayuda de un STM. Los pares de filas de átomos tienen dos posibles estados magnéticos, en representación de los dos valores ‘0 ‘y ‘1’ de un bit clásico. Un pulso eléctrico en la punta del STM invierte la configuración magnética de uno a otro. Un pulso más débil permite leer la configuración, aunque los imanes nanométricos actualmente sólo son estables a una temperaturade menos 268 grados celsius (cinco grados Kelvin). «Nuestro trabajo va mucho más allá de la tecnología actual de almacenamiento de datos», dice Loth. Los investigadores esperan que las matrices de unos 200 átomos han de ser estable a temperatura ambiente. Aún tendrá que pasar cierto tiempo antes de que los imanes atómicos pueden ser utilizados en el almacenamiento de datos.
Por primera vez, los investigadores han logrado dar trabajo a un tipo especial de magnetismo para el almacenamiento de datos, llamado antiferromagnetismo. A diferencia del ferromagnetismo, que se utiliza en los discos duros convencionales, los espines de los átomos vecinos dentro del material antiferromagnético son opuestos en alineación, haciendo que el material magnético sea neutro a un nivel superior. Esto significa que las filas de átomos antiferromagnéticos pueden tener una separación mucho más cercana, sin interferir magnéticamente entre sí. De este modo, el científico logró empaquetar los bits a sólo un nanómetro de distancia.
«En cuanto a la reducción de componentes electrónico, queríamos saber si esto se puede conducir en el reino de los átomos individuales», explica Loth. Pero en vez de componentes existentes en el equipo optó por el camino contrario: «A partir de las cosas más pequeñas – los átomos individuales – hemos construido dispositivos de almacenamiento de datos de un átomo a la vez», dice el miembro del personal de investigación de IBM Andreas Heinrich. La precisión que se requiere está dominada por solo unos pocos grupos de investigación en todo el mundo .
«Hemos probado que tan grande que tenemos que construir nuestra unidad para alcanzar el reino de la física clásica», explica Loth, quien se mudó de IBM para CFEL hace cuatro meses. Doce átomos surgió como mínimo con los elementos utilizados. «Por debajo de este umbral, los efectos cuánticos borrar la información almacenada.» Si estos efectos cuánticos de alguna manera pueden ser utilizados para una densidad superior de almacenamiento de datos es actualmente un tema de intensa investigación.
Con sus experimentos, el equipo no sólo han construido la más pequeña unidad de almacenamiento magnético de datos, s ino que también han creado un banco de pruebas ideal para la transición desde la clásica a la física cuántica. «Hemos aprendido a controlar los efectos cuánticos a través de la forma y tamaño de las filas átomo de hierro», explica Loth, líder del grupo de investigación Max Planck research group ‘dynamics of nanoelectric systems’ en CFEL en Hamburgo y el Max-Planck-Institute for Solid State Research en Stuttgart, Alemania. «Ahora podemos utilizar esta capacidad para investigar cómo actúa la mecánica cuántica. Lo que separa a los imanes cuánticos de los imanes clásicos. ¿Cómo se comporta un imán en la frontera entre ambos mundos? Estas son preguntas interesantes que pronto podrían ser respondidas».
Un nuevo laboratorio de CFEL ofrece condiciones ideales para esta investigación, que permitirá a Loth dar seguimiento a estas preguntas. «Con Sebastián Loth, uno de los principales científicos del mundo en materia de tiempo de resolverse la microscopía de efecto túnel se ha unido a CFEL», destaca el coordinador de investigación CFEL Ralf Köhn. «Esto se complementa perfectamente con nuestra experiencia existentes para la investigación de la dinámica de los sistemas atómicos y moleculares.»
Fuente: S. Loth, S. Baumann, C. P. Lutz, D. M. Eigler, A. J. Heinrich. Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets. Science, 2012; 335 (6065): 196 DOI: 10.1126/science.1214131
Comportamiento clásico observado en el dominio cuántico
Para los circuitos electrónicos cada vez más pequeños, aumentan su resistividad y se hace más difícil para una carga eléctrica pasar a su través.
Sin embargo, los investigadores han conseguido fabricar nanocables de un solo átomo de espesor y cuatro de longitud, que transportan una carga, así como los hilos de cobre incluso a bajas temperaturas. Este hallazgo es sorprendente porque la mayoría de los expertos indicaban acerca de la nanoescala que los efectos cuánticos limitarían la capacidad de miniaturizar los circuitos electrónicos. Bent Weber y sus colegas hicieron nanocables mediante el depósito de átomos de fósforo separados por tan sólo un nanómetro sobre una superficie de silicio mediante un microscopio de efecto túnel. Sus nanocables tiene un espesor de 1.5 a 11 nanómetros, mientras que la capacidad es la de los conductores de cobre, muestran que las propiedades se pueden conservar a la escala atómica. Los investigadores que observaron este comportamiento en el campo cuántico convencional sugieren que las nuevas generaciones de dispositivos electrónicos más pequeños siguen siendo posibles. La perspectiva de un artículo de David Ferry explica con más detalle estos resultados y sus implicaciones.
Un salto cuántico en informática
Cuando el físico estadounidense Richard Feynman en 1982 propuso la creación de un ordenador cuántico que podría resolver los problemas complejos, la idea no era más que una teoría de los científicos creían que estaba muy lejos en el futuro.
Los investigadores de USC Dornsife se están acercando en el aprovechamiento de la computación cuántica , un sistema que aprovecha de las peculiaridades de cómputo, tales como la coherencia cuántica. En el pasado, la decoherencia cuántica ha obstaculizado los intentos de los investigadores para construir un ordenador cuántico duradero porque el proceso interfiere con las propiedades cuánticas y hace que el sistema no sea mejor que un ordenador clásico. Como elemento de disuasión, la decoherencia se ha convertido en un obstáculo que puede superarse usando trucos de cuántica desarrollada por investigadores de la USC.
En octubre, la USC fundó USC-Lockheed Martin Quantum Computing Center, donde se encuentra el One D-Wave, con un valor aproximado de $ 10 millones y propiedad de Lockheed Martin. USC y Lockheed Martin, trabajarán juntos para explorar el potencial de la tecnología de vanguardia. El centro y el ordenador cuántico adiabático que se emplea para resolver problemas de optimización se encuentran en el campus USC Information Sciences Institute en Marina del Rey, California
«Hemos sido fuertes en la computación cuántica durante años, pero este desarrollo es en realidad un salto cuántico para nosotros», dijo Daniel Lidar, un profesor de química en la USC Dornsife con nombramiento conjunto en USC Viterbi School of Engineering, quien trabaja como director científico y técnico del centro, y que inició los esfuerzos que culminaron en la llegada del One D-Wave.
«Creemos que el procesador ‘Rainier’ puede allanar el camino hacia la solución de algunas cuestiones interesantes como algoritmos de problemas de optimización. Problemas como el aprendizaje automático de reconocimiento automático de imágenes, y validación del software»
Lidar es líder de un equipo que por separado realiza investigaciones de $ 6,25 millones con el apoyo de Department of Defense Multidisciplinary Research Initiative (MURI) la concesión fue dada a cinco instituciones académicas bajo la dirección de la USC. El proyecto de la USC es parte de un programa MURI de 151 millones de dólares con la participación de 27 instituciones.
«El chip D-Wave es controvertido: muchos investigadores en la comunidad se muestran escépticos con respecto a sus poderes cuánticos», dijo el Lidar. «Un aspecto importante de los esfuerzos de investigación de USC será la de resolver esta controversia.»
Los resultados del centro podría conducir al diseño de computadoras súper rápidas. «Este centro es muy grande para la comunidad de la información cuántica», dijo Zanardi, profesor de física en la USC Dornsife y miembro electo de la Sociedad Americana de Física. «En lugar de simplemente escribir las teorías por fin podemos comprobar en un sistema real y concreto.»
Quince miembros de USC Dornsife e investigadores de USC Viterbi, junto con titulados de la USC y los estudiantes de posdoctorado están colaborando a través del centro, tratando de entender mejor las preguntas desconcertantes de los sistemas cuánticos. El grupo forma parte del USC Center for Quantum Information and Science and Technology (CQIST), que sirve como organización paraguas para la computación cuántica en la USC.
A diferencia de una computadora clásica, que codifica un uno o un cero utilizando los bits tradicionales, los ordenadores cuánticos se basan en qubits, una unidad de información cuántica relacionados con las propiedades cuánticas de un átomo físico. La mecánica cuántica puede codificar los dígitos uno y cero al mismo tiempo – en gran medida origina la aceleración del sistema. Esta propiedad se conoce como superposición – junto con la capacidad de estados cuánticos de «túnel» a través de barreras de energía – permite a la computadora para realizar los cálculos de optimización mucho más rápido que los ordenadores clásicos. Al tomar ventaja de estas propiedades, una computadora cuántica, en teoría, podría procesar cada respuesta posible al mismo tiempo, en lugar de uno en uno.
Los investigadores utilizarán el procesador de D-Wave para desarrollar métodos para la construcción de nuevos algoritmos de optimización cuántica, el estudio de la física fundamental del entrelazado y conducir experimentos en la computación cuántica adiabática.
También se centrará en la gestión de la decoherencia. El mismo principio que impulsa a los ordenadores cuánticos para funcionar a altas velocidades también puede ser un obstáculo molesto, obstáculo que se inicia con partículas cuánticas de superposición, golpeando el sistema cuántico a ser como un ordenador clásico. Imagine el sistema cuántico como un punto en el espacio y desea que el punto siga una trayectoria precisa. Bastante simple, excepto la interacción continua del sistema cuántico con el medio ambiente al azar se inicia alrededor de los puntos y fuera de la trayectoria. La clave es la protección de la información cuántica y el control de la decoherencia.
«Para que nos permita superar a los dispositivos clásicos de procesamiento de la información, los componentes cuánticos tienen que ser muy estables», dijo Zanardi. «Resulta que esta rareza cuántica es el ingrediente extra que nos da aceleraciones de cálculo, en comparación con algoritmos clásicos que son muy frágiles.»
El desarrollo de algoritmos de optimización puede ayudar a detectar errores en los programas de ordenador. Además, la optimización tiene el poder de encontrar una aguja en un pajar, dijo Haas, profesor de física y astronomía, y vicedecano de la investigación en la USC Dornsife. «Un modelo tiene infinitas soluciones, pero sólo uno de ellos es óptima», dijo Haas. «La solución óptima puede ser una entre mil millones. Si usted tiene una computadora clásica que tardaría una eternidad en encontrar la solución óptima. Con una computadora cuántica, la búsqueda es mucho más acelerada «.
Haas y Tamim Albash, un investigador asociado postdoctoral en el departamento de física en la USC Dornsife, se ocupan de cómo controlar un sistema de computación cuántica – o la manipulación de las entradas a un sistema para obtener el efecto deseado en la salida del sistema. Mediante la manipulación del campo magnético que rodea al dispositivo, los investigadores están tratando de encontrar el estado de menor energía de un sistema específico de la mecánica cuántica, o la propiedad del estado fundamental de un problema específico de interés.
Investigadores de la USC estudian los diversos desafíos asociados con la construcción de un ordenador cuántico, por lo que es más fácil de construir en el futuro. El nuevo centro abre el camino a los estudiosos para profundizar los conocimientos en un campo potencialmente revolucionaria.
«Esta tecnología va a ser un campo de pruebas ideal para nuestras teorías y nos permitirá desarrollar nuestras teorías en nuevas direcciones», dijo Zanardi. «Espero grandes cosas de el procesador. Todos estamos entusiasmados. »
Fuente: PHYSORG
Gracias al “Efecto túnel” los teléfonos y ordenadores consumirán 100 veces menos
Científicos de la Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica de Francia, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) y del laboratorio de IBM en Suiza proyectan que para 2017 un fenómeno cuántico bien conocido, podría hacer que los dispositivos electrónicos consuman 100 veces menos energía.
“En el proyecto Ángeles Guardianes, uno de nuestros objetivos es encontrar soluciones para reducir el consumo de energía de los procesadores. El ‘túnel-FET’ es la próxima revolución que nos ayudará a conseguir ese objetivo”, dijo Adrian Ionescu, líder del proyecto.
“Los procesadores de bajo consumo de energía de nuestros teléfonos consumirán cien veces menos energía. Eso abrirá la puerta a una nueva gama de funciones relacionadas con herramientas de detección y de asesoramiento inteligente. También será beneficioso para extender la operatividad del dispositivo, que no necesitará de carga en semanas o meses”, señaló el científico. Según Ionesco, a largo plazo el “túnel-FET” podría ser la tecnología que permitirá que varios de los objetos de nuestra vida diaria se vuelvan “inteligentes” al extraer energía del medioambiente en vez de alimentarse de pilas o baterías.
Los transistores ‘Túnel-FET’ (‘TFET’ o Tunnel Field-Effect Transistors en inglés), emplean otro principio distinto a los transistores en uso actualmente. Según la teoría cuántica, los electrones pueden cruzar la barrera aunque no tengan bastante energía para hacerlo. Reduciendo el ancho de la barrera, resulta posible amplificar el efecto cuántico, y la energía que los electrones necesitan para cruzar la barrera se reduce drásticamente.
¿Qué es el efecto túnel?
En mecánica cuántica, el efecto túnel es un fenómeno nanoscópico por el que una partícula viola los principios de la mecánica clásica penetrando una barrera de potencial o impedancia mayor que la energía cinética de la propia partícula. Una barrera, en términos cuánticos aplicados al efecto túnel, se trata de una cualidad del estado energético de la materia análogo a una «colina» o pendiente clásica, compuesta por crestas y flancos alternos, que sugiere que el camino más corto de un móvil entre dos o más flancos debe atravesar su correspondiente cresta intermedia. Si el objeto no dispone de energía mecánica suficiente como para atravesar la barrera, la mecánica clásica afirma que nunca podrá aparecer en un estado perteneciente al otro lado de la barrera.
A escala cuántica, los objetos exhiben un comportamiento ondular; en la teoría cuántica, un cuanto moviéndose en dirección a una «colina» potencialmente energética puede ser descrito por su función de onda, que representa la amplitud probable que tiene la partícula de ser encontrada en la posición allende la estructura de la curva. Si esta función describe la posición de la partícula perteneciente al flanco adyacente al que supuso su punto de partida, existe cierta probabilidad de que se haya desplazado «a través» de la estructura, en vez de superarla por la ruta convencional que atraviesa la cima energética relativa. A esto se conoce como efecto túnel.
Correlación cuántica entre diamantes
Un par de cristales de diamante ha sido relacionados mediante el entrelazamiento cuántico. Esto significa que una vibración en los cristales no podría ser significativamente asignada a uno u otro de ambos, los cristales eran al mismo tiempo vibrantes y no vibrantes. El entrelazamiento cuántico – la interdependencia de los estados cuánticos entre partículas que no están en contacto físico – ha sido bien establecida entre las partículas cuánticas como los átomos ultrafríos. Pero como la mayoría de los efectos cuánticos, que no tienden a sobrevivir ya sea a temperatura ambiente o en objetos lo suficientemente grandes como para percibirlos a simple vista. Los diamantes han sido vinculados con el entrelazamiento cuántico – «acción fantasmal a distancia».
Un equipo dirigido por Ian Walmsley, físico de la Universidad de Oxford (Reino Unido), encontró una manera de superar las limitaciones, lo que demuestra que las consecuencias extrañas de la teoría cuántica se aplican a gran escala, así como en las más pequeñas. El trabajo se ha publicado en Science . El resultado es «inteligente y convincente», dice Andrew Cleland, un especialista en el comportamiento cuántico de los objetos a escala nanométrica en la Universidad de California en Santa Bárbara (EE.UU.).
Entrelazamiento
El entrelazamiento se produce cuando dos partículas cuánticas interactúan entre sí para que sus estados cuánticos se vuelven interdependientes. Si está la primera partícula en el estado A, por ejemplo, entonces el otro debe estar en el estado B, y viceversa.
Hasta que lse efectúa a medición de una de las partículas, su estado es indeterminado: puede ser considerado como en los dos estados A y B al mismo tiempo, esto se conoce como una superposición. El acto de medir ‘colapsa’ esta superposición en uno sólo de los estados posibles.
Sin embargo, si las partículas se entrelazan, entonces esta medida también determina el estado de la otra partícula – incluso si han sido separadas por una distancia inmensa. El efecto de la medida se transmite instantáneamente a la otra partícula, a través de lo que Albert Einstein con escepticismo llamó «acción fantasmal a distancia».
Extraño, ya que el entrelazamiento cuántico es real – y podría ser útil. En una técnica llamada criptografía cuántica, los fotones entrelazados de luz se han utilizado para transmitir información de tal manera que cualquier intercepción es detectable. Los estados cuánticos entrelazados de los átomos o fotones pueden ser utilizados en la computación cuántica. Los estados superpuestos codifican mucha más información que la que es posible con el sistema convencional de bit de dos estados .
Sin embargo, superposiciones y entrelazado son usualmente vistos como estados delicados, fácilmente perturbados por movimientos al azar de los átomos en un ambiente cálido. Esta codificación también tiende a ocurrir muy rápidamente, si los estados cuánticos contienen muchas partículas que interactúan – en otras palabras, para objetos grandes.
Fotones y fonones
Walmsley y colaboradores han estudiado las vibraciones atómicas sincronizadas llamadas fonones en el diamante. Los fonones son movimientos ondulatorios de átomos en una red, algo así como las ondas de sonido en el aire, y se producen en todos los sólidos. Pero en el diamante, la rigidez de la red significa que los fonones tienen frecuencias y energía muy altas, y por lo tanto habitualmente no activos, incluso a temperatura ambiente.
Los investigadores utilizaron un pulso láser para estimular las vibraciones de fonones en dos cristales de tres milímetros de ancho y a 15 centímetros de distancia. Cada fonón implica la vibración coherente de unos 10^16 átomos, que corresponde a una región del cristal de 0.05 milímetros de ancho y 0.25 milímetros de largo – lo suficientemente grande como para verla a simple vista.
Hay tres condiciones esenciales que se deben cumplir para obtener los fonones entrelazados en los dos cristales de diamante. En primer lugar, un fonón debe ser excitado con un solo fotón de la corriente de fotones del láser. En segundo lugar, este fotón debe ser enviado a través de un «divisor de haz» que lo dirige a un cristal o al otro. Si la ruta no es detectada, entonces el fotón puede ser considerado en ambos sentidos a la vez: está en una superposición de trayectorias. El fonón resultante se entrelaza demasiado en una superposición. La tercera condición es que el fotón debe convertir parte de su energía en un fotón de menor energía, denominada fotón Stokes, que indica la presencia de los fonones.
«Cuando se detecta el fotón Stokes sabemos que hemos creado un fonón, pero no podemos saber ni siquiera en principio en que diamante se encuentra», dice Walmsley. «Este es el estado entrelazado, para el que la declaración: este diamante está vibrando, este diamante no está vibrando es verdadera».
Para verificar que el estado se ha logrado, los investigadores lanzan un segundo pulso láser a los dos cristales para ‘extraer’ los fonones, de los que el fotón láser extrae energía adicional. Todas las condiciones necesarias se cumplen muy pocas veces durante el experimento. «Tienen que realizar un número astronómico de intentos de obtener un número muy limitado de resultados deseados», dice Cleland.
Duda de que habrá alguna aplicación inmediata de la técnica, en parte porque la relación es muy corta. «No estoy seguro de que esto va a salir de aquí», dijo Cleland. «No puedo pensar en un uso particular de entrelazamientos que duran sólo unos pocos picosegundos» (10^-12 segundos).
Pero Walmsley es más optimista. «El diamante podría ser la base de una poderosa tecnología para el procesamiento de información cuántica práctica», dice. «Las propiedades ópticas del diamante hacen que sea ideal para la producción de pequeños circuitos ópticos en los chips.»
Los físicos muestran que la ignorancia cuántica es dificil de exponer
Nuevas investigaciones en Mecánica Cuántica han mostrado que un sabe-lo-todo cuántico puede carecer de información sobre un tema en su conjunto, sin embargo, puede responder casi a la perfección a cualquier pregunta acerca de las partes del tema. El trabajo se publica en Physical Review Letters.
«Esto es algo conceptualmente muy extraño», dice Stephanie Wehner del Quantum Technologies en National University of Singapore, que dedujo el resultado teórico junto con el estudiante de doctorado Thomas Vidick en la Universidad de California, Berkeley, Estados Unidos. Es un fenómeno nuevo que añadir a la lista de los enigmas filosóficos de la física cuántica – tan extraño como la superposición cuántica o el principio de incertidumbre cuántico. Pero el trabajo también tiene motivación práctica: la comprensión de cómo se comporta la información en el contexto cuántico es importante en las tecnologías emergentes, tales como la criptografía cuántica y la computación cuántica.
Para enmarcar el problema, considere el ejemplo de alguien que responde a preguntas sobre un libro del que sólo tienen la mitad leído. Si alguien tiene un conocimiento incompleto acerca de un libro en su conjunto, se espera poder identificar el origen de su ignorancia en algún lugar de las páginas del libro.
Wehner y Vidick simplifican la situación de un libro con dos páginas. Invitan a los jugadores habituales en cuántica, Alice y Bob, a colaborar. Alice lee el libro y se le permite dar a Bob una página de información del libro.
Si Bob solo tiene información clásica, siempre es posible trabajar en lo que no sabe. «Demostramos que clásicamente están las cosas bien», dice Wehner. En otras palabras, la ignorancia de Bob puede ser expuesta. Imagine que Bob es un estudiante tratando de hacer trampa en un examen, y las notas de Alice cubren la mitad del curso. Un examinador, después de haber inspeccionado en secreto las notas de Bob, podría determinar las preguntas que Bob no pudo contestar.
La locura viene si Bob se vale de una página de información cuántica de Alicia. En este caso, los investigadores demuestran, que no hay forma de identificar qué tipo de información no dispone Bob. Desafío de Bob, él puede adivinar cualquiera de las páginas del libro casi a la perfección. Un examinador no podría determinar la ignorancia de Bob incluso después de haber visto sus notas, siempre y cuando las preguntas no cubran más de la mitad del curso – la cantidad total de información que puede contar Bob no puede exceder el tamaño de sus notas.
Es un descubrimiento inesperado. Los investigadores han estado tratando de demostrar que la ignorancia cuántica puede seguirse de la intuición clásica y ser trazable a la ignorancia de los detalles, y la constatación de que no se plantean nuevas preguntas. «Hemos observado este efecto, pero realmente no entiendo de dónde viene», dice Wehner. Una comprensión intuitiva puede estar para siempre fuera de alcance, así como otros efectos que en la teoría cuántica desafían toda descripción mecanicista. Sin embargo, Wehner y Vidick ya han comenzado a diseñar pruebas experimentales y la formulación de una serie de maneras de explorar esta nueva extraña frontera. En este trabajo, se ideó un método de codificación cuántica de la información a partir de dos páginas en una sola que dio Bob, el sabe-lo-todo cuántico, la capacidad para contar toda la información menos un poco en cualquiera de las páginas (el último bit Bob lo tiene que adivinar). Planean estudiar si otras codificaciones serían igual de buenas.
Fuente: Centre for Quantum Technologies at the National University of Singapore, via EurekAlert!, un servicio de AAAS
Lograr almacenar en un solo átomo información cuántica
Una memoria de datos difícilmente puede ser más pequeña: los investigadores que trabajan con Gerhard Rempe en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching (Alemania) han almacenado información cuántica en un solo átomo. Los investigadores escribieron el estado cuántico de los fotones individuales, es decir, partículas de luz, en un átomo de rubidio para leerlo de nuevo después de un tiempo. Esta técnica puede ser utilizada, en principio, para el diseño de potentes ordenadores cuánticos y redes de unos con otros a través de grandes distancias.
Los ordenadores cuánticos algún día serán capaces de hacer frente a tareas de cómputo en casos en los que las computadoras actuales tardarían años. Ttomarán su enorme potencia de cálculo de su capacidad de procesar simultáneamente las diversas piezas de información que se almacenan en el estado cuántico de los sistemas físicos microscópicos, como átomos y fotones. Con el fin de ser capaces de operar, las computadoras cuánticas deben intercambiar estas piezas de información entre sus componentes individuales. Los fotones son especialmente adecuados para ello, y no importa lo que hay que llevar con ellos. Las partículas de la materia sin embargo se utilizarán para el almacenamiento y procesamiento de información. Los investigadores están buscando métodos, por los que se pueda intercambiar información cuántica entre fotones y materia. Aunque esto ya se ha hecho con conjuntos de muchos miles de átomos, los físicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching han demostrado que la información cuántica también se puede intercambiar entre átomos y fotones de una forma controlada.
El uso de un solo átomo como unidad de almacenamiento tiene varias ventajas – la miniaturización extrema de ser una sola, dice Holger Specht del Instituto Max Planck, quien estuvo involucrado en el experimento. La información almacenada puede ser procesada mediante la manipulación directa en el átomo, lo cual es importante para la ejecución de operaciones lógicas en una computadora cuántica. «Además, ofrece la oportunidad de comprobar si la información cuántica almacenada en el fotón se ha escrito correctamente en el átomo sin destruir el estado cuántico», dice Specht. Por lo tanto, es posible determinar en una fase temprana si un proceso de cálculo debe repetirse debido a un error de almacenamiento.
El hecho de que nadie había logrado hasta hace muy poco en el intercambio de información cuántica de fotones y átomos individuales se debe a que la interacción entre las partículas de la luz y los átomos es muy débil. Átomo y el fotón no se dan cuenta mucho el uno del otro, por así decirlo, como dos invitados a una fiesta que apenas hablan entre sí, y por lo tanto pueden intercambiar sólo un poco de información. Los investigadores en Garching han mejorado la interacción con un truco. Colocaron un átomo de rubidio entre los espejos de un resonador óptico, y luego utilizaron pulsos láser muy débiles para introducir fotones individuales en el resonador. Los espejos del resonador reflejan los fotones y varias veces aquí para allá, lo que mejora fuertemente la interacción entre fotones y átomos. Hablando en sentido figurado, los invitados por lo tanto cumplirán con más frecuencia y la posibilidad de que hablen entre si se incrementa.
Los fotones llevan la información cuántica en la forma de su polarización. Esta puede ser zurda (la dirección de la rotación del campo eléctrico es a la izquierda) o diestra (sentido horario). El estado cuántico del fotón puede contener ambas polarizaciones simultáneamente como un estado de superposición. En la interacción con los fotones, el átomo de rubidio suele ser excitado y luego pierde la excitación de nuevo por medio de la emisión probabilística de un fotón más. Los investigadores no querían que esto sucediera. Por el contrario, la absorción de los fotones fue para que el átomo de rubidio permaneciera en un estado cuántico definido, estable. Los investigadores lo lograron gracias a la ayuda de otro haz láser, el denominado láser de control, que se dirige sobre el átomo de rubidio en el mismo tiempo que interactúa con el fotón.
La orientación del espín del átomo contribuye decisivamente al estado cuántico estable generado por láser de control y el fotón. El espin da al átomo un momento magnético. El estado cuántico estable, el que los investigadores utilizan para el almacenamiento, por lo tanto está determinado por la orientación del momento magnético. El estado se caracteriza por el hecho de que refleja el estado de polarización del fotón: la dirección del momento magnético corresponde a la dirección de rotación de la polarización del fotón, una mezcla de ambas direcciones de rotación sn almacenada por una mezcla correspondiente de los momentos magnéticos.
Este estado es leído por el proceso inverso: la irradiación del átomo de rubidio con el láser de control de nuevo hace que se vuelva a emitir el fotón, que fue originalmente incidente. En la gran mayoría de los casos, la información cuántica de los fotones de lectura está de acuerdo con la información almacenada originalmente, como los físicos descubrieron en Garching. La cantidad que describe esta relación, la fidelidad, fue más del 90 por ciento. Esto es significativamente mayor que la fidelidad del 67 por ciento que se puede lograr con los métodos clásicos, es decir, aquellos que no se basan en efectos cuánticos. El método desarrollado en Garching, por lo tanto, es una memoria cuántica real.
Los físicos midieron el tiempo de almacenamiento, es decir, el tiempo que la información cuántica en el rubidio se puede conservar, resultó ser de alrededor de 180 microsegundos. «Esto es comparable con los tiempos de almacenamiento de todas las memorias cuánticas anteriores basadas en conjuntos de átomos», dice Stephan Ritter, otro investigador involucrado en el experimento. Sin embargo, un tiempo significativamente más largo de almacenamiento es necesario para que el método pueda utilizarse en una computadora cuántica o una red cuántica. Hay también una característica de calidad más de la memoria cuántica de un solo átomo de Garching, que se puede mejorar: la eficiencia de la llamada. Es una medida de cuantos de los fotones irradiados se almacenan y luego se pueden leer de nuevo. Esto fue algo menos del 10 por ciento.
El tiempo de almacenamiento está limitado principalmente por las fluctuaciones del campo magnético del entorno del laboratorio, dice Ritter. «Por lo tanto, se puede aumentar mediante el almacenamiento de la información cuántica en los estados cuánticos de los átomos que son insensibles a los campos magnéticos.» La eficacia está limitada por el hecho de que el átomo no puede quedarse quieto en el centro del resonador, se mueve. Esto hace que la fuerza de la interacción entre átomos y fotones tienda a disminuir. Los investigadores pueden así también mejorar la eficiencia: por una mayor refrigeración del átomo, es decir, reduciendo aún más la energía cinética.
Los investigadores del Instituto Max Planck en Garching ahora quieren trabajar en estas dos mejoras. «Si esto tiene éxito, las perspectivas de la memoria cuántica de un solo átomo sería excelente», dice Stephan Ritter.
Fuente: ScienceDaily
Nueva arquitectura para ordenadores cuánticos, basada en antenas cuanticas
El grupo de investigación dirigido por el físico austríaco Rainer Blatt ha sugerido una nueva arquitectura fundamental para la computación cuántica. Han mostrado experimentalmente una antena cuántica, que permitirá el intercambio de información cuántica entre dos celdillas de memoria independientes, situadas en un chip de ordenador. Esto ofrece nuevas oportunidades para construir ordenadores cuánticos prácticos.
Hace seis años, los científicos de la Universidad de Innsbruck fueron los pioneros -un ordenador cuántico con ocho partículas cuánticas entrelazadas, un récord que sigue en pie. «Sin embargo, para hacer uso práctico de un ordenador cuántico que realice cálculos, se necesitan muchos más bits cuánticos», afirma el profesor Rainer Blatt, quien, con su equipo de investigación en el Instituto de Física Experimental, creó un byte cuántico por primera vez, en un trampa electromagnética de iones. «En estas trampas no podemos manejar un gran número de iones y el controlarlos a la vez.» Para resolver este problema, los científicos han comenzado a diseñar un ordenador cuántico basado en un sistema de muchos registros pequeños, que tienen que ser vinculados. Para lograr esto , los físicos cuánticos de Innsbruck han desarrollado un enfoque revolucionario sobre la base de un concepto formulado por los físicos teóricos Ignacio Cirac y Peter Zoller. En su experimento, los físicos han acoplado electromagnéticamente dos grupos de iones a una distancia de unos 50 micrómetros. Aquí, el movimiento de la partículas sirve como una antena. «Las partículas como los electrones oscilan en los polos de una antena de televisión y así generan un campo electromagnético», explica Blatt. «Si una antena se sintoniza a la otra, el extremo receptor recoge la señal de la del emisor, lo que resulta en acoplamiento. «El intercambio de energía que tienen lugar en este proceso podría ser la base para las operaciones de cálculo fundamentales de un ordenador cuántico.
Antenas para amplificar la transmisión
«Hemos implementado este nuevo concepto de una manera muy simple», explica Rainer Blatt. En una trampa de iones en miniatura se creó un doble pozo de potencial, atrapando los iones de calcio. Los dos pozos fueron separados por 54 micrómetros. «Al aplicar un voltaje a los electrodos de la trampa de iones, que fueron capaces de igualar las frecuencias de oscilación de los iones», dice Blatt. «Esto dio lugar a un proceso de acoplamiento y un intercambio de energía, que puede ser utilizado para transmitir información cuántica.» Un acoplamiento directo de dos oscilaciones mecánicas a nivel cuántico no se ha demostrado antes. Además, los científicos muestran que el acoplamiento es amplificado por el uso de más iones en cada pocillo. «Estos iones funcionan adicionalmente como antenas y aumentan la distancia y la velocidad de la transmisión», dijo Rainer Blatt, quien está muy entusiasmado con el nuevo concepto. Este trabajo constituye un enfoque prometedor para la construcción de una computadora cuántica que funcione plenamente. «La nueva tecnología ofrece la posibilidad de entrelazamiento distribuido. Al mismo tiempo, somos capaces de dirigirnos a cada célula de memoria de forma individual «, explica Rainer Blatt. El nuevo ordenador cuántico podría estar basado en un chip con muchas microtrampas, donde los iones se comunican entre sí a través de acoplamiento electromagnético. Este nuevo enfoque representa un paso importante hacia las tecnologías cuánticas prácticas para el procesamiento de información.
Fuente: Next Big Future
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