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Creando ordenadores cuánticos mediante enfriamiento de átomos
Las mejores dispositivos del futuro podrían crearse usando lo que esencialmente son los refrigeradores que funcionan a nivel atómico.
El nivel de control sobre la materia que los científicos están desarrollando servirá para crear objetos ultrafríos también puede ser usado para crear enteramente nuevos estados de la materia y superpoderosos ordenadores cuánticos, agregaron los investigadores.
Los científicos rutinariamente enfrían la materia unas pocas millonésimas de grado sobre el cero absoluto, la temperatura más baja posible en teoría, que corresponde a menos 273.15 grados Celsius. Sin embargo, les gustaría alcanzar temperaturas más frías, para entender mejor otros fenómenos extremos, como la superconductividad, en la que los electrones se desplazan sin resistencia a través de objetos.
Ahora los físicos revelan una nueva forma de lograr materia ultrafría, con una idea similar a la forma en que trabajan los frigoríficos. Bombear un fluido conocido como refrigerante en la zona que se están enfriando. Este líquido absorbe el calor. El refrigerante se bombea a un lugar donde se vuelca este calor.
Átomos fríos
En primer lugar, los investigadores enfrían los átomos de rubidio con láser. Cuando se configura correctamente, estos rayos pueden obligar a los átomos a brillar de una manera que les hace emitir más energía que la que absorben, lo que los hace más fríos.
Cuando los átomos emiten la luz como resultado de ser «golpeados» con el láser, este ejerce una ligera presión sobre ellos. Los científicos tomaron ventaja de que la presión controla los átomos, ya sea manteniéndolos en su lugar o en movimiento a su alrededor, a veces, se originan colisiones. [ Wacky Física: The Coolest Little Particles]
Luego, los investigadores hicieron que los átomos aún se enfriaran más con refrigeración por evaporación, en la cual la materia se enfría casi de la misma forma que una taza de café pierde su calor – los átomos más calientes se dejan evaporar, dejando atrás a los más fríos.
Finalmente, los investigadores utilizaron redes de láser que se conocen como «redes ópticas.» Cuando dos átomos se hacen colisionar dentro de la red óptica, las excitaciones de una suprimen las excitaciones de la otra, un fenómeno llamado «bloqueo de excitación orbital.» Los átomos excitados se retiran del sistema – eliminando entropía, cantidad de energía disponible para el trabajo – por lo tanto causando que los átomos restantes se enfríen.
En experimentos con átomos de rubidio en redes ópticas, los físicos demostraron con éxito que se podría eliminar la entropía de los átomos mediante el bloqueo de la excitación orbital. En principio, se pueden alcanzar temperaturas de 10 a 100 veces más frías que se logra actualmente, a temperaturas de decenas a centenas de una mil millonésima de grado sobre el cero absoluto. Sin embargo, lo más probable la necesidad de láseres de longitudes de onda superior, para lograrlo en la vida real, dijo el investigador Markus Greiner, físico de la Universidad de Harvard.
Materia exótica
La investigación podría ayudar a «crear nuevos estados de la materia exóticos, los nunca visto antes», dijo Greiner LiveScience. «¿Quién sabe cuáles pueden ser las propiedades de estos materiales?»
La posibilidad de crear vectores perfecta de átomos también podría ser «un buen punto de partida para una computadora cuántica de propósito general», dijo Greiner. Las computadoras cuánticas explotan la extraña naturaleza de la física cuántica – por ejemplo, cómo las partículas subatómicas efectivamente puede girar en dos direcciones opuestas al mismo tiempo – para ejecutar l para ciertos problemas los cálculos exponencialmente más rápidamente que un ordenador norma.
La investigación de ordenadores cuánticos ha sido sobre todo sobre los dispositivos diseñados para un tipo específico de problema, pero las redes ópticas podría llevar a la creación de computadoras cuánticas de propósito general que, al igual que las modernas computadoras personales, puede hacer frente a muchos tipos diferentes de problemas.
Los científicos detallaron sus hallazgos en la edición 22 de diciembre de la revista Nature.
¿Un ordenador cuántico en el ojo del pájaro petirrojo?
“El petirrojo es un ave migratoria que utiliza como brújula magnética unas proteínas llamadas criptocromos situadas en la retina de sus ojos, según el biólogo Wolfgang Wiltschko (Universidad de Frankfurt). El físico cuántico Vlatko Vedral (Universidad de Oxford) cree que en el criptocromo se entrelazan cuánticamente varios electrones cuyos espines actúan como cubits. Según este especialista en computación cuántica, la Naturaleza ha logrado fabricar el primer computador cuántico, mucho antes que los propios físicos. La Naturaleza va por delante de los investigadores más osados y quizás el primer computador cuántico sea una versión biomimética del criptocromo. (…) La fuente de la noticia es un artículo de Vedral publicado en Physical Review Letters (PRL). Un artículo en PRL es, a priori, una gran garantía de calidad científica. ¡Increíble! Efectos cuánticos en la brújula magnética de las aves migratorias y en particular en el petirrojo (Erithacus rubecula). (…) Increíble, pero yo no me lo creo. Como físico no me puedo creer que el entrelazamiento cuántico de los espines de pares de electrones se mantenga en una proteína a temperatura ambiente durante 20 microsegundos. En mi opinión, es un tiempo millones de veces más largo de lo razonable a temperatura ambiente.
Ampliar en: Amazing.es
Dwave presenta matriz de 4×4 de ocho qbit
La empresa canadiense Dwave afirma (parece demasiado optimista) que tendrá en poco tiempo un ordenador cuántico adiabático de 128 qbit. Se trata de una matriz 4 × 4 de celdas de 8-qbit .
Hace pocos días la empresa Dwave publicó un artículo (Quantum annealing with manufactured spins) en la prestigiosa revista Nature, que confirma que sus qbit de ocho celdas están aprovechando los efectos cuánticos.
Google y Dwave han estado utilizando el chip qbit 128 en el reconocimiento de imágenes y aplicaciones de clasificación binaria.
En el 2008 Dwave prometió un rápido movimiento para conseguir miles de qbit. Parece que han tenido que resolver las complejidades y la economía del sistema qbit 128 varios años antes de pasar a la escala más grande. Esto está todavía por delante de lo que otros grupos están haciendo en laboratorio en términos de ser capaces de realizar complejas aplicaciones en el mundo real.
El sistema Dwave es un sistema analógico para resolver un determinado tipo de problema. Hay una gama limitada de algoritmos cuánticos que se pueden poner en práctica. Sin embargo, está haciendo un trabajo útil ahora y aún están por delante de otros esfuerzos de computación cuántica.
La diferencia entre la computación cuántica convencional y la adiabática es fácil de explicar. La convencional trata de imitar las ideas usadas en los ordenadores (clásicos) convencionales, pero en su versión cuántica. Sin embargo, la computación cuántica adiabática utiliza un concepto novedoso cuyo análogo clásico no tiene ninguna utilidad práctica. El problema de este tipo de computación es que, aunque en teoría es universal y permite resolver cualquier problema, en la práctica está limitada a ciertos problemas concretos, por ejemplo, problemas de búsqueda en grafos, pero ya se sabe que empresas como Google viven de resolver problemas de búsqueda de forma eficiente.
Anteriormente hubo quejas de que Dwave no tenía artículos revisados por pares en revistas, que serían una prueba de la cuanticidad de los chips que utilizaban y el desarrollo. Esta afirmación ya no puede hacerse. Puede decirse que no es un chip de computación clásica. No se puede decir que no tienen revisión por pares, que sirva de confirmación.
Fuente: Dwave
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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