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Entrelazamiento entre cubits de diamante
Uno de los obstáculos al teletransporte se ha superado, con el movimiento fiable de información cuántica entre dos objetos separados por una distancia corta. El logro está aún muy lejos los movimientos habituales de la ciencia ficción, pero fortalece nuestra confianza en la teoría del entrelazamiento cuántico, uno de los aspectos más controvertidos de la física moderna. Además puede ayudar a acelerar el desarrollo de la computación cuántica.
Ciertas partículas subatómicas existen siempre en estados vinculados. Por ejemplo , dos electrones pueden tener espines opuestos. Esto está bien inicialmente, pero crea un famoso paradoja si una partícula es interferida de manera tal que su espín se cambia, según la teoría del entrelazamiento la otra partícula responderá al instante a los cambios producidos en su par, de modo que los dos siguen siendo opuestos.
Sin importar la distancia entre los dos, esto significa que la información de lo que ha sucedido a una partícula debe ser transmitida con velocidad infinita – más rápida que la velocidad de la luz. Einstein se burlaba de la idea como «acción fantasmal a distancia», y sugirió que nuestra comprensión de la mecánica cuántica debe ser errónea. Sin embargo, los físicos posteriores al éxito de la teoría cuántica han crecido más cómodos con la idea de que existe el entrelazamiento, aunque muchos sostienen que no puede ser utilizado para transmitir información.
En 1964 al físico John Stewart Bell se le ocurrió una idea para un experimento para probar si el entrelazamiento es real. En el momento de la idea no era práctico, pero con la publicación en la revista Science, un equipo de la Universidad Tecnológica de Delft, Países Bajos ha conseguido la realización de la prueba de Bell.
El equipo de Delft usó electrones atrapados en diamantes a temperatura muy bajas, lo que el líder del equipo Ronald Hanson describe como «miniprisiones». Esto les permitió medir el espín de cada electrón de forma muy fiable. Alteraciones a este espín se reflejaron en el espín de un electrón entrelazado atrapado en una celda de diamante similar.
La pequeña distancia entre los dos diamantes hace que sea difícil de demostrar que la transferencia de información se produce instantáneamente, en lugar de a la velocidad de la luz. En consecuencia, el siguiente paso será entrelazar electrones enjaulados y ampliar su separación en la ciudad o a todo el mundo. El entrelazamiento entre islas a más de 100 kilómetros ya se ha demostrado, pero sólo estadísticamente, en lugar de con el 100 % de éxito.
Además de asentarse finalmente una de los grades debates de la física del siglo 20, la teleportación cuántica fiable podría hacer posible canales seguros de comunicación, que también serían infinitamente rápidos.
Como de costumbre, el resultado no sale de la nada. Otros equipos también han sido capaces de teletransportar información cuántica, pero sólo en una minoría de casos. El año pasado el equipo de Hanson anunció que habían logrado el teletransporte cuántico mediante el atrapamiento de diamantes, pero sin la fiabilidad del 100 % del trabajo más reciente.
La internet cuántica del futuro gracias a los chips de diamante
Entrelazar cubits de estado sólido en distancias grandes es difícil pues se requiere un protocolo con un mediador que recorra dicha distancia. H. Bernien (Universidad Técnica de Delft, Holanda) y sus colegas han logrado entrelazar dos cubits codificados en el espín de electrones en dos celdas de diamante utilizando fotones como mediadores. La gran ventaja de la implementación de cubits en estado sólido es la posibilidad de utilizar técnicas de nanotecnología (nanofabricación), lo que facilita la escalabilidad del diseño. Este logro allana el camino hacia el uso de cubits de estado sólido en la futura red de internet cuántica, routers cuánticos y protocolos de teletransporte cuántico. El artículo técnico es H. Bernien et al., “Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres,” Nature, AOP 24 April 2013.
Un cubit se puede almacenar en el espín electrónico de un átomo de nitrógeno que actúe como defecto en una red cristalina de carbono (diamante). El espín electrónico permite representar los dos estados del cubit como |?> y |?> en los estados S=0 y S=1, resp., que pueden ser controlados de forma individual con pulsos de microondas. El uso de fotones como mediadores en el protocolo tiene el problema de que la eficiencia no es perfecta, hay pérdida de fotones y los detectores pueden fallar. Para reducir estos efectos Bernien y sus colegas han utilizado un sistema redundante de doble vuelta, utilizando dos fotones como mediadores que van y vienen entre los dos cubits en sendas rondas. El resultado es un protocolo robusto contra la pérdida de fotones.
Artículo completo en: Francis (th)E mule Science’s News
Computación cuántica sin requerir enfriamiento
Es un reto que ha sido durante mucho tiempo uno de los santos griales de la computación cuántica: cómo crear los bloques clave de construcción, conocidos como bits cuánticos o qubits, que existan en un sistema de estado sólido a temperatura ambiente.
La mayoría de los sistemas actuales, por comparación, se basan en un equipo complejo y caro diseñado para atrapar un solo átomo o un electrón en el vacío y luego enfriar todo el sistema a temperaturas próximas al cero absoluto.
Un grupo de científicos de Harvard, dirigido por el profesor de Física Mikhail Lukin, incluyendo a los estudiantes graduados Kucsko Georg Maurer y Peter y el investigador postdoctoral C. Latta, indican que han resuelto el problema, y lo hicieron recurriendo a uno de los materiales más puros de la Tierra: los diamantes.
Con un par de impurezas en diamantes ultrapuros, «cultivados» en el laboratorio de diamantes, los investigadores fueron capaces de crear los bits cuánticos que almacenan la información y permanecer en ellos durante casi dos segundos, un aumento de casi seis órdenes de magnitud más de la vida útil de los sistemas anteriores. El trabajo, descrito en la revista Science, es un primer paso crítico en la eventual construcción de un ordenador cuántico funcional, y tiene una gran cantidad de otras aplicaciones potenciales.
«Lo que hemos sido capaces de lograr en términos de control es sin precedentes», dijo Lukin. «Tenemos un qubit, a temperatura ambiente, que podemos medir con muy alta eficiencia y fidelidad. Podemos codificar los datos en él, y nos los puede almacenar por un tiempo relativamente largo. Creemos que este trabajo sólo está limitado por cuestiones técnicas, por lo que parece factible aumentar el tiempo de vida en el rango de horas. En ese momento, una gran cantidad de aplicaciones del mundo real serán posibles».
Además de un ordenador cuántico práctico, Lukin prevé que el sistema se utilice en aplicaciones que incluyen «dinero cuántico» (un sistema de pago para las transacciones bancarias y tarjetas de crédito que se basa en la codificación de los bits cuánticos para frustrar a los falsificadores) y las redes cuánticas (método de comunicaciones altamente seguro que utiliza bits cuánticos para transmitir datos).
«Esta investigación es un importante paso adelante en la investigación hacia la construcción algún día de una computadora cuántica práctica», dijo Kucsko, que trabaja en el laboratorio de Lukin, y es uno de los dos primeros autores del artículo. «Por primera vez, tenemos un sistema que tiene un plazo de tiempo razonable para la memoria y simplicidad, por lo que ahora es algo que podemos seguir».
La base para el avance de Lukin se estableció hace varios años, cuando investigadores descubrieron que los sitios vacantes de nitrógeno (NV), los centros a escala atómica de impurezas en el diamantes, crecidos en el laboratorio se comportan de la misma manera que los átomos individuales. Al igual que los átomos individuales, cada centro posee un espín, que puede ser polarizado, similar al de un imán de barra. Mediante el uso de láser, los investigadores son capaces no sólo de controlar el espín, sino tambén detectar su orientación a medida que cambia con el tiempo.
Pero la idea de utilizar los centros de NV para formar la columna vertebral de una computadora cuántica, simplemente no era práctico, en gran parte debido a que sólo puede contener los datos cerca de una millonésima de segundo antes de que sus propiedades cuánticas – y cualquier otro dato que puede haber – se perdiera.
El culpable, dijo Lukin, fue otra impureza en el cristal de diamante.
En los experimentos iniciales, el equipo utilizó diamantes que contiene 99 por ciento de 12 átomos de carbono, que no tienen espín. El resto, sin embargo, estaba formado por átomos de carbono-13, un isótopo complicado que contiene un espín en el núcleo del átomo. Aunque débil, la interacción con los espines estaba causando luces de los centros NV corta vida.
Con esta última investigación, sin embargo, Lukin y su equipo convertido lo que alguna vez fue un reto – la interacción entre el centro de NV y átomos de carbono-13 – para su ventaja.
«El espín nuclear del carbono-13 tiene un bit cuántico ideal, porque están muy aislados», dijo Lukin. «Debido a tan poca interacción con las fuerzas externas, tienen tiempos de coherencia relativamente largos. Por supuesto, las mismas propiedades que las hacen ideales los qubits también los hacen difíciles de medir y manipular».
La solución de Lukin y su equipo fue sorprendentemente elegante. En lugar de intentar encontrar una manera de medir el espín de los átomos de carbono, utilizaron el centro NV que lo haga por ellos.
Trabajando con investigadores de Element Six, una empresa británica que se especializa en la fabricación de diamantes artificiales, desarrollaron una nueva técnica para crear cristales que eran aún más puros: 99n99 por ciento de carbono-12. Los investigadores luego bombardear el cristal con nitrógeno para crear el centro NV, que interactúa con un cercano átomo de carbono-13.
El resultado de esta interacción es que el centro NV refleja el estado del átomo de carbono, es decir, los investigadores pueden codificar un bit de información en el espín del átomo, a continuación, «leer» los datos mediante la supervisión del centro de NV.
«El sistema que hemos desarrollado utiliza esta sonda muy local, el centro de NV, que nos permite controlar que los beneficios», dijo Lukin. «Como resultado de ello, por primera vez, podemos codificar un bit de información en el espín, y utilizar este sistema para su lectura».
Sin embargo, la codificación de la información en el espín del átomo de carbono-13 y su lectura utilizando el centro NV es sólo un paso en el camino hacia una computadora cuántica. Para ser verdaderamente útil, los investigadores tuvieron que determinar la forma de tomar ventaja de las propiedades cuánticas del átomo -es decir, su capacidad para ocupar dos estados al mismo tiempo.
Esa capacidad de estar en dos estados al mismo tiempo, es un principio clave de los ordenadores cuánticos. A diferencia de las computadoras tradicionales, que codifican los bits de información, ya sea cero o uno, los ordenadores cuánticos se basan en escala atómica de la mecánica cuántica para dar a los bits cuánticos ambos valores a la vez. Esa propiedad, en teoría, permite a los ordenadores cuánticos realizar cálculos múltiples en paralelo, por lo que son mucho más poderosos que los ordenadores tradicionales, que realizan operaciones en la secuencia.
La solución, Lukin explicó, era un proceso de dos pasos.
El primer paso es cortar la conexión entre el centro NV y el átomo de carbono. Con el uso de cantidades masivas de luz láser, el investigador es capaz de mantener con eficacia el centro NV ocupado y evitar la interacción con el átomo de carbono. En el paso dos, el cristal de diamante es bombardeado con un conjunto específico de impulsos de frecuencia de radio, la supresión de la interacción entre el átomo de carbono-13 y cualesquiera átomos cercanos.
«Al limitar las interacciones con el átomo de carbono-13, se puede extender la vida útil del qubit y mantener los datos durante más tiempo», dijo Lukin. «El resultado final es que somos capaces de aumentar el tiempo de coherencia de una milésima de segundo a casi dos segundos.»
Fuente: P. C. Maurer, G. Kucsko, C. Latta, L. Jiang, N. Y. Yao, S. D. Bennett, F. Pastawski, D. Hunger, N. Chisholm, M. Markham, D. J. Twitchen, J. I. Cirac, M. D. Lukin. Room-Temperature Quantum Bit Memory Exceeding One Second. Science, 2012; 336 (6086): 1283 DOI: 10.1126/science.1220513
Gran avance en memorias cuánticas para almacenar cubits con el espín nuclear
Un cristal de diamante ultrapuro, con una molécula de carbono 13 por cada millón de átomos de carbono 12, podría almacenar un cubit (bit cuántico) durante 24 horas a temperatura ambiente, según un modelo teórico publicado hoy en Science. Los autores han verificado su modelo mediante un experimento que ha logrado almacenar un cubit durante tres segundos tiempo uso de un cristal de diamante con un átomo de carbono 13 por cada cien átomos de carbono 12 (tres segundos es unas mil veces el récord anterior a temperatura ambiente). Más aún, en el mismo número de Science se ha publicado el almacenamiento de un cubit durante tres minutos (180 segundos) en una memoria cuántica basada en silicio (el cubit se ha almacenado en el espín nuclear de una impureza de fósforo), pero enfriado a 4,2 K. Estos dos grandes avances en el desarrollo de memorias cuánticas basadas en el espín nuclear coloca a estas técnicas en un camino envidiable hacia el desarrollo de un futuro ordenador cuántico de utilidad práctica. Nos lo han contado Christoph Boehme, Dane R. McCamey, “Nuclear-Spin Quantum Memory Poised to Take the Lead,” Perspective, Science 336: 1239-1240, 8 June 2012, quienes se hacen eco de los artículos técnicos de M. Steger et al., “Quantum Information Storage for over 180 s Using Donor Spins in a 28Si “Semiconductor Vacuum”,” Science 336: 1280-1283, 8 June 2012, y P. C. Maurer et al., “Room-Temperature Quantum Bit Memory Exceeding One Second,” Science 336: 1283-1286, 8 June 2012.
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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.»
Fuente: Lee, K. C. et al. Science 334, 1253–1256 (2011)
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