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Un ordenador cuántico para abordar los problemas de la ciencia fundamental
Durante más de 50 años, la Ley de Moore ha reinado en forma suprema. La observación de que el número de transistores en un chip de ordenador se duplica aproximadamente cada dos años ha marcado el ritmo de nuestra revolución digital moderna: hacer posible teléfonos inteligentes, ordenadores personales y superordenadores actuales. Pero la Ley de Moore se está ralentizando. E incluso si no lo fuera, algunos de los grandes problemas que los científicos necesitan abordar podrían estar fuera del alcance de los ordenadores convencionales.
Durante los últimos años, los investigadores del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) han estado explorando un tipo drásticamente diferente de arquitectura computacional basada en la mecánica cuántica para resolver algunos de los problemas más difíciles de la ciencia. Con el patrocinio de Laboratory Directed Research and Development (LDRD), han desarrollado algoritmos de optimización y química cuántica, así como procesadores de prototipo superconductores cuánticos. Recientemente, demostraron la viabilidad de su trabajo utilizando estos algoritmos en un procesador cuántico que consta de dos bits cuánticos superconductores para resolver con éxito el problema químico de calcular el espectro energético completo de una molécula de hidrógeno.
Ahora, dos equipos de investigación dirigidos por el personal del Berkeley Lab recibirán fondos del Departamento de Energía (DOE) para aprovechar este impulso. Un equipo recibirá 1,5 millones de dólares en tres años para desarrollar algoritmos novedosos, técnicas de compilación y herramientas de programación que permitirán utilizar plataformas de computación cuántica a corto plazo para el descubrimiento científico en las ciencias químicas. El otro equipo trabajará en estrecha colaboración con estos investigadores para diseñar prototipos de procesadores de cuatro y ocho cubit para calcular estos nuevos algoritmos. Este proyecto tendrá una duración de cinco años y los investigadores recibirán 1,5 millones de dólares para su primer año de trabajo. Para el quinto año, el equipo de hardware espera demostrar un procesador de 64 cubit con control total.
«Algún día, los ordenadores cuánticos universales podrán resolver una amplia gama de problemas, desde el diseño molecular hasta el aprendizaje automático y la ciberseguridad, pero estamos muy lejos de eso. Por lo tanto, la pregunta que nos hacemos actualmente es si existen problemas específicos que podamos resolver con computadoras cuánticas más especializadas», dice Irfan Siddiqi, científico de laboratorio de Berkeley y director fundador del Center for Quantum Coherent Science de la UC Berkeley.
Según Siddiqi, las tecnologías de computación cuántica coherente de hoy en día cuentan con los tiempos de coherencia necesarios, las fidelidades lógicas de operación y las topologías de circuitos para realizar cálculos especializados para la investigación fundamental en áreas como la ciencia molecular y de materiales, la optimización numérica y la física de alta energía. A la luz de estos avances, señala que es el momento de que el DOE explore cómo estas tecnologías pueden integrarse en la comunidad de computación de alto rendimiento. En estos nuevos proyectos, los equipos del Berkeley Lab trabajarán con colaboradores de la industria y el mundo académico para aprovechar estos avances y abordar problemas científicos difíciles relacionados con las misiones del DOE, como el cálculo de la dinámica de los sistemas moleculares y el aprendizaje de máquinas cuánticas.
«Estamos en las primeras etapas de la computación cuántica, como en los años 40 con la computación convencional. Tenemos parte del hardware, ahora tenemos que desarrollar un conjunto robusto de software, algoritmos y herramientas para utilizarlo de manera óptima para resolver problemas científicos realmente difíciles», dice Bert de Jong, que dirige el Grupo de Química Computacional, Materiales y Clima del Laboratorio de Investigación Computacional (CRD) de Berkeley.
Dirigirá un equipo de Algoritmos Cuánticos del DOE formado por investigadores de Berkeley Lab, Harvard, Argonne National Lab y UC Berkeley, centrado en «Algoritmos Cuánticos, Matemáticas y Herramientas de Compilación para Ciencias Químicas».
«La tradición de Berkeley Lab en la ciencia en equipo, así como su proximidad a UC Berkeley y Silicon Valley, lo convierten en un lugar ideal para trabajar en computación cuántica de extremo a extremo», dice Jonathan Carter, Subdirector de Berkeley Lab Computing Sciences. «Tenemos físicos y químicos en el laboratorio que están estudiando la ciencia fundamental de la mecánica cuántica, ingenieros para diseñar y fabricar procesadores cuánticos, así como científicos informáticos y matemáticos para asegurar que el hardware sea capaz de calcular efectivamente la ciencia del DOE».
Carter, Siddiqi y Lawrence Livermore National Laboratory’s Jonathan DuBois liderarán el proyecto de Testbed Simulation (AQuES) Advanced Quantum-Enabled Simulation del DOE.
Desafío de la coherencia cuántica
La clave para construir ordenadores cuánticos que resuelvan problemas científicos fuera del alcance de los ordenadores convencionales es la «coherencia cuántica». Este fenómeno permite esencialmente que los sistemas cuánticos almacenen mucha más información por bit que en las computadoras tradicionales.
En una computadora convencional, los circuitos de un procesador incluyen miles de millones de transistores, pequeños interruptores que se activan mediante señales electrónicas. Los dígitos 1 y 0 se utilizan en binario para reflejar los estados de encendido y apagado de un transistor. Esencialmente, así es como se almacena y procesa la información. Cuando los programadores escriben código de ordenador, un traductor lo transforma en instrucciones binarias (1s y 0s) que un procesador puede ejecutar.
A diferencia de un bit tradicional, un bit cuántico (cubit) puede adquirir propiedades mecánicas cuánticas algo contrarias a la intuición como el entrelazamiento y la superposición. El entrelazamiento cuántico ocurre cuando los pares o grupos de partículas interactúan de tal manera que el estado de cada partícula no puede ser descrito individualmente, sino que el estado debe ser descrito para el sistema como un todo. En otras palabras, las partículas entrelazadas actúan como una unidad. La superposición ocurre cuando una partícula existe en una combinación de dos estados cuánticos simultáneamente.
Por lo tanto, mientras que un bit de ordenador convencional codifica la información como 0 o 1, un cubit puede ser 0,1 o una superposición de estados (tanto 0 como 1 al mismo tiempo). La capacidad de un cubit para existir en múltiples estados significa que, por ejemplo, puede permitir el cálculo de las propiedades químicas y de materiales significativamente más rápido que los ordenadores tradicionales. Y si estos cubits se pueden enlazar o enredar en un ordenador cuántico, los problemas que no se pueden resolver hoy en día con los ordenadores convencionales podrían ser abordados.
Pero sigue siendo un reto conseguir cubits en este estado de coherencia cuántica, donde se pueden aprovechar las propiedades de mecánica cuántica y luego sacar el máximo provecho de ellas cuando están en este estado.
«La computación cuántica es como jugar un juego de ajedrez donde las piezas y el tablero están hechos de hielo. A medida que los jugadores se mueven alrededor de las piezas, los componentes se están derritiendo y mientras más movimientos realices, más rápido se derretirá el juego», dice Carter. «Los cubits pierden coherencia en muy poco tiempo, así que depende de nosotros encontrar el juego de movimientos más útil que podamos hacer.»
Carter señala que el enfoque de Berkeley Lab de codiseñar los procesadores cuánticos en estrecha colaboración con los investigadores que desarrollan algoritmos cuánticos, recopilando técnicas y herramientas de programación será extremadamente útil para responder a esta pregunta.
«Los enfoques computacionales son comunes en la mayoría de los proyectos científicos del Berkeley Lab. A medida que la Ley de Moore se está ralentizando, las nuevas arquitecturas, sistemas y técnicas informáticas se han convertido en una iniciativa prioritaria en Berkeley Lab «, dice Horst Simon, Director Adjunto de Berkeley Lab. «Reconocemos desde el principio cómo la simulación cuántica podría proporcionar un enfoque eficaz a algunos de los problemas computacionales más desafiantes en la ciencia, y me complace ver el reconocimiento de nuestra iniciativa de LDRD a través de esta primera financiación directa. La ciencia de la información cuántica se convertirá en un elemento cada vez más importante de nuestra empresa de investigación en muchas disciplinas».
Debido a que este campo todavía se encuentra en sus primeros días, hay muchos enfoques para construir una computadora cuántica. Los equipos liderados por el Laboratorio de Berkeley estarán investigando ordenadores cuánticos superconductores.
Para diseñar y fabricar la próxima generación de procesadores cuánticos, el equipo de AQuES aprovechará la instalación de circuitos superconductores en el Laboratorio de Nanoelectrónica Cuántica y Nanoelectrónica de UC Berkeley, al tiempo que incorporará la experiencia de los investigadores en las divisiones de Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada, Ciencia de Materiales e Ingeniería del Laboratorio de Berkeley. Los equipos de investigación también utilizarán las capacidades únicas de dos instalaciones del DOE: la Molecular Foundry y el National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), ambos ubicados en el Berkeley Lab.
Ampliar en: EurekAlert!
El entrelazamiento es una característica inevitable de la realidad
¿Es realmente necesario el entrelazamiento para describir el mundo físico, o es posible tener alguna teoría post-cuántica sin entrelazamiento?
En un nuevo estudio, físicos han probado matemáticamente que cualquier teoría que tenga un límite clásico -es decir, que pueda describir nuestras observaciones del mundo clásico recuperando la teoría clásica bajo ciertas condiciones- debe contener entrelazamientos. Así que a pesar de que el entrelazamiento va en contra de la intuición clásica, el entrelazamiento debe ser una característica inevitable no sólo de la teoría cuántica, sino también de cualquier teoría no clásica, incluso de las que aún están por desarrollar.
Los físicos, Jonathan G. Richens en el Imperial College London y el University College London, John H. Selby en el Imperial College London y la Universidad de Oxford, y Sabri W. Al-Safi en la Universidad de Nottingham Trent, han publicado un artículo estableciendo el entrelazamiento como una característica necesaria de cualquier teoría no clásica en un número reciente de Physical Review Letters.
«La teoría cuántica tiene muchas características extrañas en comparación con la teoría clásica», dijo Richens a Phys. org. «Tradicionalmente estudiamos cómo el mundo clásico emerge del cuántico, pero nos propusimos revertir este razonamiento para ver cómo el mundo clásico da forma al cuántico. Al hacerlo, demostramos que uno de sus rasgos más extraños, el entrelazamiento, no es nada sorprendente. Esto insinúa que gran parte de la aparente extrañeza de la teoría cuántica es una consecuencia inevitable de ir más allá de la teoría clásica, o tal vez incluso una consecuencia de nuestra incapacidad para dejar atrás la teoría clásica».
Aunque la prueba completa es muy detallada, la idea principal detrás de ella es simplemente que cualquier teoría que describa la realidad debe comportarse como una teoría clásica en algún límite. Este requisito parece bastante obvio, pero como muestran los físicos, imparte fuertes restricciones a la estructura de cualquier teoría no clásica.
La teoría cuántica cumple este requisito de tener un límite clásico a través del proceso de decoherencia. Cuando un sistema cuántico interactúa con el entorno externo, el sistema pierde su coherencia cuántica y todo lo que lo hace cuántico. Así que el sistema se vuelve clásico y se comporta como se espera de la teoría clásica.
Aquí, los físicos muestran que cualquier teoría no clásica que recupere la teoría clásica debe contener estados entrelazados. Para demostrarlo, asumen lo contrario: que tal teoría no tiene entrelazamiento. Entonces demuestran que, sin entrelazarse, cualquier teoría que recupere la teoría clásica debe ser la teoría clásica en sí misma, una contradicción de la hipótesis original de que la teoría en cuestión no es clásica. Este resultado implica que la suposición de que tal teoría no tiene entrelazado es falsa, lo que significa que cualquier teoría de este tipo debe tener entrelazado.
Este resultado puede ser sólo el comienzo de muchos otros descubrimientos relacionados, ya que abre la posibilidad de que otros rasgos físicos de la teoría cuántica puedan reproducirse simplemente exigiendo que la teoría tenga un límite clásico. Los físicos anticipan que características como la causalidad de la información, la simetría de bits y la ubicación macroscópica pueden aparecer como resultado de este único requisito. Los resultados también proporcionan una idea más clara de cómo debe ser cualquier teoría futura no clásica, post-cuántica.
«Mis metas futuras serían ver si la no-localidad de Bell también puede derivarse de la existencia de un límite clásico», dijo Richens. «Sería interesante si todas las teorías que reemplazan a la teoría clásica violaran el realismo local. También estoy trabajando para ver si ciertas extensiones de la teoría cuántica (como la interferencia de orden superior) pueden ser descartadas por la existencia de un límite clásico, o si este límite imparte restricciones útiles a estas’ teorías post-cuántico'».
Ampliar en: Jonathan G. Richens, John H. Selby, and Sabri W. Al-Safi. «Entanglement is Necessary for Emergent Classicality in All Physical Theories.» Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.080503
La física cuántica permite un revolucionario método de imagen
Investigadores del Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI), Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ), y la Universidad de Viena han desarrollado una nueva técnica de imagen fundamentada en la física cuántica con características sorprendentemente no intuitivas. Por primera vez, una imagen se ha obtenido sin la detección de la luz que se utiliza para iluminar el objeto fotografiado, mientras que la luz que revela la imagen nunca toca el objeto fotografiado.
En general, para obtener una imagen de un objeto uno tiene que iluminarlo con un haz de luz y es necesario el uso de una cámara para detectar la luz que se dispersa o se transmita a través de dicho objeto. El tipo de luz que se utiliza para iluminar el objeto depende de las propiedades que se deseen para la imagen. Por desgracia, en muchas situaciones prácticas el tipo ideal de la luz para la iluminación del objeto es uno para el que no existen cámaras.
El experimento publicado en Nature esta semana, por primera vez rompe esta limitación aparentemente evidente. El objeto (por ejemplo, el contorno de un gato) se ilumina con luz que permanece sin ser detectada. Además, la luz que forma una imagen del gato en la cámara nunca interactúa con él. Para realizar su experimento, los científicos utilizan los llamados pares «entrelazados» de fotones. Estos pares de fotones – que son como gemelos interrelacionados – se crean cuando un láser interactúa con un cristal no lineal. En el experimento, el láser ilumina dos cristales separados, creando un par de fotones individuales (que consisten en un fotón de infrarrojo y un fotón «hermano» rojo). El objeto se coloca entre los dos cristales. La disposición es tal que si se crea un par de fotones en el primer cristal, sólo el fotón infrarrojo pasa a través del objeto de la imagen. Su ruta pasa entonces por el segundo cristal donde se combina completamente con cualquier fotón infrarrojo que se crearía allí.
Con este paso crucial, en principio, no hay posibilidad de averiguar qué cristal crea realmente el par de fotones. Además, ya no hay ninguna información en el fotón de infrarrojo sobre el objeto. Sin embargo, debido a las correlaciones cuánticas de los pares entrelazados la información sobre el objeto está ahora contenida en los fotones rojos – aunque nunca tocan el objeto. Reuniendo ambas trayectorias de los fotones rojos (del primero y segundo cristal) se crean patrones brillantes y oscuros, que forman la imagen exacta del objeto.
Sorprendentemente, todos los fotones infrarrojos (la única luz que ilumina el objeto) se descartan; la imagen se obtiene sólo por la detección de los fotones rojos que nunca interactuaron con el objeto. La cámara utilizada en el experimento es ciega a los fotones infrarrojos que han interactuado con el objeto. De hecho, cámaras infrarrojas de luz muy baja, prácticamente no se encuentran en el mercado comercial. Los investigadores confían en que su nuevo concepto de imagen sea muy versátil y podría incluso permitir las imágenes en la importante región del infrarrojo medio. Se podría encontrar aplicaciones en las imágenes con poca luz, en campos tales como la proyección de imagen biológica o médica.
Fuente: Publication in Nature: Quantum imaging with undetected photons: Gabriela Barreto Lemos, Victoria Borish, Garrett D. Cole, Sven Ramelow, Radek Lapkiewicz, Anton Zeilinger. Nature, 2014. DOI: 10.1038/nature13586
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.
Nueva posibilidad en la física cuántica con la superconductividad en LED
Un equipo de físicos de la Universidad de Toronto (Canadá) liderados por Alex Hayat ha propuesto una forma novedosa y eficiente para aprovechar el fenómeno de la física cuántica conocido como entrelazamiento. El enfoque implicaría la combinación de diodos emisores de luz (LED) con un superconductor para generar fotones entrelazados y podría abrir un rico espectro de una nueva física , así como dispositivos de tecnologías cuánticas, incluidos los ordenadores cuánticos y la comunicación cuántica. El entrelazamiento se produce cuando las partículas se convierten en pares correlacionados para interactuar previsiblemente entre sí , independientemente de lo lejos que están. Mida las propiedades de uno de los miembros del par entrelazado y al instante conocer las propiedades de la otra. Es uno de los aspectos más desconcertantes de la mecánica cuántica, lo que lleva a Einstein a llamarlo » acción fantasmal a distancia».
«Una fuente de luz habitual tal como un LED emite fotones al azar sin ningún tipo de correlaciones», explica Hayat, quien también es Académico en el Instituto Canadiense de Investigaciones Avanzadas. » Hemos demostrado que la generación de entrelazamiento entre los fotones emitidos desde un LED se puede lograr mediante la adición de otro efecto físico peculiar, la superconductividad – una corriente eléctrica sin resistencia en ciertos materiales a bajas temperaturas «.
Este efecto se produce cuando los electrones se enlazan en pares de Cooper. Cuando una capa de dicho material superconductor se coloca en estrecho contacto con una estructura de LED de semiconductores, los pares de Cooper se inyectan en el LED, de modo que los pares de electrones entrelazados crean pares de fotones entrelazados. El efecto, sin embargo, resulta que sólo funciona en LEDs que utilizan regiones activas de nanómetros de espesor – pozos cuánticos.
«Por lo general las propiedades cuánticas aparecen en escalas muy pequeñas – un electrón o un átomo de superconductividad permite que los efectos cuánticos aparezcan en grandes escalas, un componente eléctrico o todo un circuito. Este comportamiento cuántico puede mejorar significativamente la emisión de luz en general, y la emisión de fotones entrelazados en particular», dijo Hayat.
Fuente: University of Toronto
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Tecnologías para la computación cuántica
Hay hasta 18 tecnologías que están siendo investigados para la computación cuántica. Cada una tiene sus ventajas y limitaciones. El grupo de Blatt está trabajando en un qubit basado en una transición óptica de iones atrapados de calcio 40.
Los qubits de iones atrapados «tienen propiedades de coherencia exquisitas, se pueden preparar y medir con eficiencia cercana al 100 %, y se entrelazan fácilmente unos con otros a través de la interacción de Coulomb o interconexiones fotónicas remotas», escribe Chris Monroe del Joint Quantum Institute en Science. Su grupo está utilizando iones de iterbio, otros investigadores están estudiando otros iones atrapados. Tanto los grupos de Innsbruck y JQI han escalado experimentos para 15 o 16 qubits, a medio camino de los 30 qubits que Monroe dice que se necesitan para simular el comportamiento de un sistema mecánico-cuántico que son demasiado complejos para las computadoras digitales actuales.
Otros tipos de qubits pueden ser mejores para otros tipos de operaciones, dice Klaus Ensslin del Instituto Federal Suizo de Tecnología ( ETH, Zurich, Suiza). Investigadores suizos están estudiando muchos tipos de qubits para aplicaciones potenciales. Una preocupación es el corto tiempo de vida de los estados cuánticos con respecto al mundo exterior. » Para hacer funcionar un ordenador cuántico, se debe aislar el sistema cuántico de su entorno, pero también hay que leerlo», dice Ensslin. El espín de un solo electrón en un punto cuántico es atractivo porque se acopla débilmente a su entorno. Los qubits de puntos cuánticos son difíciles de manipular, pero dice que su gran atractivo es la posible facilidad de escalado en nanoestructuras semiconductoras. Otros están estudiando enfoques donde la protección es topológica – ingeniería cuántica para mejorar la coherencia y reducir el ruido.
Otros tipos de tecnología de la computación cuántica son:
• Los átomos neutros y moléculas con estados internos de larga duración, se enfrían, atrapan y entrelazan para crear qubits.
• Circuitos de unión Josephson superconductoras.
• Medición óptica de los estados cuánticos de los fotones.
• Efectos de resonancia magnética nuclear
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
Lograr algo a partir de la nada, partículas virtuales
Efecto Casimir
Artículo publicado por Charles Q. Choi el 12 de febrero de 2013 en Scientific American
Las “partículas virtuales” pueden convertirse en fotones reales – bajo las condiciones adecuadas.
El vacío podría parecer espacio sin nada, pero los científicos han descubierto una nueva forma de, aparentemente, lograr algo, como la luz, a partir de la nada. Y el hallazgo podría, finalmente, ayudar a los científicos a construir computadores cuánticos increíblemente potentes, o arrojar luz sobre los primeros momentos de la historia del universo.
La física cuántica explica que existen límites a la precisión con la que se pueden conocer las propiedades de las unidades más básicas de la materia – por ejemplo, no se puede conocer, simultáneamente, con certeza la posición de una partícula y su momento. Una extraña consecuencia de esta incertidumbre es que el vacío nunca está completamente vacío, sino que bulle con lo que se conoce como “partículas virtuales”, que aparecen y desaparecen constantemente.
Estas partículas virtuales aparecen a menudo en parejas que, casi instantáneamente, se aniquilan entre sí. Aun así, antes de desvanecerse, pueden tener efectos muy reales sobre sus alrededores. Por ejemplo, los fotones – paquetes de luz – pueden aparecer y desaparecer en un vacío. Cuando se colocan dos espejos uno frente a otro en un vacío, hay más fotones virtuales fuera de los espejos que entre ellos, lo que genera una aparentemente misteriosa fuerza que empuja los espejos uno contra el otro.
Este fenómeno, predicho en 1948 por el físico holandés Hendrick Casimir, y conocido como efecto Casimir, se observó por primera vez con espejos fijos. Los investigadores también predijeron un efecto Casimir dinámico, que aparece cuando se mueven los espejos, o los objetos sufren cambios, Ahora, el físico Pasi Lähteenmäki y sus colegas, de la Universidad de Aalto en Finlandia, revelan que, al variar la velocidad a la que puede viajar la luz, pueden hacer que aparezca luz en la nada.
La velocidad de la luz en el vacío es una constante, de acuerdo con la teoría de la relatividad de Einstein, pero su velocidad cuando atraviesa un material depende de una propiedad del mismo, conocida como índice de refracción. Variando el índice de refracción del material, los investigadores pueden influir en la velocidad a la que viajan dentro del mismo tanto fotones reales como virtuales. Lähteenmäki dice que puede verse este sistema como un espejo, y si su grosor cambia lo bastante rápidamente, los fotones virtuales que se reflejan puede recibir suficiente energía del rebote como para transformarse en fotones reales. “Imagina que te encuentras en una sala muy oscura y, de pronto, el índice de refracción [de la sala] cambia”, explica Lähteenmäki. “La sala empezaría a brillar”.
Los investigadores empezaron con un conjunto de 250 dispositivos superconductores de interferencia cuántica, o SQUIDs—circuitos que tienen una sensibilidad extraordinaria a los campos magnéticos. Colocaron el conjunto dentro de un refrigerador. Aplicando cuidadosamente campos magnéticos a este conjunto, pudieron variar la velocidad a la que viajaban los fotones de microondas a través del mismo en unos puntos porcentuales. Los investigadores enfriaron luego este conjunto hasta 50 milésimas de grado Celsius por encima del cero absoluto. Debido a que este entorno es superfrío, no debería emitir radiación, comportándose, básicamente, como un vacío. “Simplemente estudiamos estos circuitos con el propósito de desarrollar un amplificador, algo que logramos”, dice el investigador Sorin Paraoanu, físico teórico en la Universidad de Aalto. “Pero entonces nos preguntamos, ¿qué pasa si no hay señal a amplificar? ¿Qué pasa si el vacío es la señal?”.
Los investigadores detectaron fotones que encajaban con las predicciones de un efecto Casimir dinámico. Por ejemplo, tales fotones deberían mostrar la extraña propiedad del entrelazamiento cuántico — es decir, que al medir las propiedades de uno, los científicos podrían, en principio, conocer exactamente cómo es su homólogo, sin importar en qué punto del universo esté, un fenómeno al que Einstein se refería como “acción fantasmal a distancia”. Los científicos detallan sus hallazgos en la edición en línea del 11 de febrero de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
Esta investigación podría ayudar a los científicos a aprender más sobre los misterios del entrelazamiento cuántico, que es clave para los computadores cuánticos – máquinas avanzadas que podrían, en principio, realizar más cálculos en un instante que átomos hay en el universo. Los fotones de microondas entrelazados generados por en conjunto experimental “pueden usarse para una forma de computación conocida como procesado de información cuántica de ‘variable continua’”.
Fuente: Ciencia Kanija
Se podría pasar información del pasado al futuro, de interés para memorias cuánticas
El vacío, tal y como lo entendemos clásicamente, es un estado completamente desprovisto de materia, pero cuánticamente está lleno de partículas virtuales: Es lo que se conoce como fluctuaciones cuánticas del vacío», explica Borja Peropadre, investigador del Instituto de Física Fundamental (CSIC). Investigadores de este centro y de la Universidad de Waterloo (Canadá) proponen un experimento que permite la transferencia de información entre el pasado y el futuro usando este vacío cuántico. Los científicos han conseguido explotar sus propiedades utilizando la emergente tecnología de los circuitos superconductores, según un trabajo que publican en la revista Physical Review Letters.
«Gracias a esas fluctuaciones, es posible hacer que el vacío esté entrelazado en el tiempo; es decir, el vacío que hay ahora y el que habrá en un instante de tiempo posterior, presentan fuertes correlaciones cuánticas», aclara Peropadre. Por su parte, el director del estudio, Carlos Sabín, destaca el papel de los circuitos superconductores:»Permiten reproducir la interacción entre materia y radiación, pero con un grado de control asombroso. No sólo ayudan a controlar la intensidad de la interacción entre átomos y luz, sino también el tiempo que dura la misma. Gracias a ello, hemos podido amplificar efectos cuánticos que, de otra forma, serían imposibles de detectar».
De este modo, haciendo interaccionar fuertemente dos átomos P (pasado) y F (futuro) con el vacío de un campo cuántico en distintos instantes de tiempo, los científicos han encontrado que P y F acaban fuertemente entrelazados. «Es importante señalar que no sólo es que los átomos no hayan interaccionado entre ellos, sino que en un mundo clásico, ni siquiera sabrían de su existencia mutua», comentan los investigadores.
Futuras memorías cuánticas
Desde el punto de vista tecnológico, una aplicación «muy importante» -según los autores- de este resultado es el uso de esta transferencia de entrelazamiento para fabricar en el futuro memorias cuánticas, capaces de retener este tipo de información. «Codificando el estado de un átomo P en el vacío de un campo cuántico, podremos recuperarlo pasado un tiempo en el átomo F», señala Peropadre. «Y esa información de P, que está siendo ‘memorizada’ por el vacío, será transferida después al átomo F sin pérdida de información. Todo ello gracias a la extracción de las correlaciones temporales del vacío».
Fuente: Público
Nuevo récord en comunicaciones cuánticas
Investigadores de la Universidad Nacional de Australia han dado un salto cualitativo hacia el desarrollo de la próxima generación de redes super-rápidas, necesarias para impulsar la informática en el futuro. Seiji Armstrong, un investigador doctorado en el Departamento de Ciencia Cuántica en el College ANU de Ciencias Físicas y Matemáticas, ha liderado un equipo que ha desarrollado una técnica que permite que la información cuántica viaje con mayor ancho de banda mediante un haz de luz y el fenómeno llamado entrelazamiento.
La investigación de Armstrong se publica en Nature Communications. «En términos generales, el entrelazamiento es cuando dos cosas están relacionadas de alguna manera para que al medir una de ellos, se puede inferir información sobre la otra. Esto es importante porque sin ella es imposible teletransportar información cuántica», dijo Armstrong.
«Esta peculiaridad fue descubierta por Einstein en 1935 y desde finales de 1980 se comenzó a sugerir que el entrelazamiento puede ser útil para el tratamiento de la información. Resultó que por la codificación la información en los sistemas que se entrelazan permite realizar cálculos que son inviables para los ordenadores normales».
El problema es que nos dimos cuenta de que los experimentos de entrelazamiento alrededor del mundo se estaban poniendo muy complicados. Cada modo de entrelazado de luz requiere su propio rayo láser, así como toda una serie de otros equipos. Teniendo en cuenta que un ordenador cuántico necesitaría cientos o miles de estados entrelazados de luz, esto se complicó increíblemente. «Armstrong dijo que su investigación drásticamente simplifica este proceso.» Hemos sido capaces de entrelazar ocho modos cuánticas de la luz dentro de un haz de láser, un práctica que solía requerir ocho haces separados «, dijo.» Nuestra investigación también es una primicia mundial, ya que el anterior mejor entrelazamiento era de cuatro modos de luz láser, logrado en 2011. Nuestra investigación muestra que es posible crear un haz de luz de ancho de banda relativamente amplio con una gran cantidad de información cuántica en él».
Fuente: Nature Communications
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