Transferencia cuántica con sólo pulsar un botón

Transferencia cuántica con computadoras

La transmisión de datos es la columna vertebral de la sociedad de la información moderna, tanto a gran escala como a pequeña escala. En Internet, los datos se intercambian entre computadoras de todo el mundo, con mayor frecuencia utilizando cables de fibra óptica.

Dentro de una computadora, por otro lado, la información debe ser transportada de un lado a otro entre diferentes procesadores. Un intercambio confiable de datos también es de gran importancia para las nuevas tecnologías de información cuántica que se están desarrollando actualmente, pero al mismo tiempo también es extremadamente difícil.

En el ETH en Zurich, un equipo de físicos liderado por Andreas Wallraff del Laboratorio de Física del Estado Sólido ahora ha logrado transmitir información cuántica, con solo presionar un botón y con alta fidelidad, entre dos bits cuánticos, aproximadamente a un metro de distancia. Sus resultados se publican en la revista científica.Naturaleza esta semana.

Bits cuánticos voladores

La principal peculiaridad de las tecnologías de información cuántica, como las computadoras cuánticas y la criptografía cuántica, es el uso de bits cuánticos o «qubits» como unidad elemental de información.

A diferencia de los bits clásicos, los qubits no solo pueden tener el valor 0 o 1, sino también asumir los llamados estados de superposición. Por un lado, esto da como resultado la posibilidad de construir computadoras extremadamente poderosas que utilizan esos estados de superposición para realizar cálculos de manera mucho más eficiente y rápida que las computadoras clásicas.

Por otro lado, esos estados también son muy sensibles y no se pueden transmitir simplemente usando técnicas convencionales. El problema es que el estado de un qubit estacionario primero tiene que transformarse en el llamado qubit «volador», por ejemplo un fotón, y luego volver a otro qubit estacionario.

Hace unos años, los investigadores pudieron transmitir el estado cuántico de un átomo de esta manera. Wallraff y sus compañeros de trabajo ahora han logrado realizar una transmisión de este tipo también desde un qubit superconductor de estado sólido a otro a cierta distancia.

Para ello, los físicos conectaron dos qubits superconductores utilizando un cable coaxial del tipo que también se utiliza para conectar a terminales de antena. El estado cuántico del primer qubit, que se define por el número de pares de electrones superconductores (también conocidos como pares de Cooper).

Contenidos en él, se transfirió primero a un fotón de microondas de un resonador utilizando pulsos de microondas controlados con mucha precisión. Desde ese resonador, el fotón podría volar a través del cable coaxial a un segundo resonador, en cuyo interior los pulsos de microondas, una vez más, transfirieron su estado cuántico al segundo qubit. Experimentos similares se llevaron a cabo recientemente en la Universidad de Yale.

Determinista más que probabilística

«El punto importante de nuestro método es que la transmisión del estado cuántico es determinista, lo que significa que funciona al presionar un botón», enfatiza Philipp Kurpiers, estudiante de doctorado en el laboratorio de Wallraff.

En algunos experimentos anteriores ya se podía realizar una transferencia de estados cuánticos, pero esa transmisión era probabilística: a veces funcionaba, pero la mayoría de las veces no era así. Una transmisión exitosa podría, por ejemplo, ser señalada por un «fotón que anuncia». Cada vez que la transmisión no funcionaba, uno simplemente intentaba nuevamente.

De esa manera, la tasa de transmisión cuántica efectiva se redujo, por supuesto, fuertemente. Por lo tanto, para aplicaciones prácticas, los métodos deterministas como el que ahora se demuestra en ETH son claramente ventajosos.

«Nuestra tasa de transmisión para estados cuánticos se encuentra entre las más altas jamás realizadas, y en un 80% nuestra fidelidad de transmisión es muy buena en la primera realización del protocolo», dice Andreas Wallraff.

Usando su técnica, los investigadores también pudieron crear un enredo mecánico cuántico entre los qubits hasta 50,000 veces por segundo. El procedimiento de transmisión en sí tomó menos de una millonésima de segundo, lo que significa que hay bastante espacio para mejorar la velocidad de transmisión.

El entrelazamiento mecánico cuántico crea un vínculo íntimo entre dos objetos cuánticos incluso a grandes distancias, una característica que se utiliza para la criptografía o la teleportación cuántica.

Transferencia cuántica para computadoras cuánticas

Como siguiente paso, los investigadores quieren intentar usar dos qubits cada uno como transmisor y receptor, lo que hace posible el intercambio de enredos entre los pares de qubit.

Tal proceso es útil para computadoras cuánticas más grandes, que se supone que se construirán en los próximos años. Hasta ahora, solo consisten en un puñado de qubits, pero cuando se trata de construir computadoras más grandes.

Ya por unos cientos de qubits uno tendrá que preocuparse sobre cómo conectarlos de manera más efectiva para explotar las ventajas de una computadora cuántica en el La mejor manera posible.

Al igual que los grupos de computadoras individuales que se usan en la actualidad, los módulos de computadora cuántica podrían conectarse entre sí utilizando la técnica de Wallraff.

La distancia de transmisión, que actualmente es de aproximadamente un metro, podría aumentarse. Wallraff y sus colegas demostraron recientemente que un cable extremadamente frío.

Y por lo tanto superconductor, podría transmitir fotones a distancias de varias decenas de metros con muy pocas pérdidas. Conectar un centro de computación cuántica, por lo tanto, parece ser bastante factible.

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