Las dimensiones de tiempo adicionales ofrecen a los científicos una nueva forma de pensar sobre las fases de la materia para qubits más estables y computadoras cuánticas robustas.

Las computadoras cuánticas se construyen utilizando qubits, los análogos cuánticos de los bits clásicos, cuya función se basa en dos fenómenos fundamentales en el corazón de la computación cuántica: el entrelazamiento cuántico y el principio de superposición.

A través de la superposición, un qubit puede existir como 0 y 1, en contraste con un bit, que solo puede tomar uno de estos valores, donde el enredo conduce a interacciones sutiles, una especie de enlace, entre qubits. Físicamente, los qubits se pueden realizar de diferentes maneras, por ejemplo, como fotones con dos polarizaciones diferentes o iones que quedan atrapados y controlados por un campo eléctrico.

Como resultado, estas máquinas son muy superiores a sus contrapartes convencionales para resolver ciertos tipos de problemas, como analizar datos, simular interacciones de medicamentos u optimizar la logística de la cadena de suministro. Sin embargo, existe un obstáculo para aprovechar todo su potencial: mantener qubits estables, que son fundamentales para ejecutar una computadora cuántica que funcione, ha demostrado ser todo un desafío.

Estos dispositivos son extremadamente sensibles al ruido externo e incluso a ciertas interacciones entre qubits, lo que los obliga a salir de sus frágiles estados cuánticos. Como resultado, fue muy difícil construir una computadora cuántica completamente funcional.

«Incluso si mantiene todos los átomos bajo un estricto control, pueden perder su ‘cuántica’ hablando con su entorno, calentándose o interactuando con cosas de maneras que no planeó», dijo Philipp Dumitrescu del Centro de Computación de la Flatiron Institute Quantum Physics en la ciudad de Nueva York.

Dumitrescu es parte de un nuevo estudio experimental publicado en Naturalezadonde él y sus colaboradores pudieron preservar mejor los estados cuánticos de los qubits, basándose en una teoría anterior presentada por un grupo de físicos que incluía a Demitrescu, Andrew Potter de la Universidad de Columbia Británica en Vancouver, Romain Wasser de la Universidad de Massachusetts en Amherst y Ajesh Kumar de la Universidad de Texas, Austin.

qubits estables

Se sabe que la interacción de los qubits con un pulso electromagnético periódico, similar a una onda de radio, puede hacer que el estado cuántico de los qubits sea más estable. Al analizar matemáticamente la interacción de los qubits con diferentes pulsos de luz, sin limitarse a una forma periódica, los teóricos concluyeron que una forma especial del pulso podría hacerlos más robustos. Según los cálculos del equipo, la forma no debería repetirse, aunque esté ordenada, como los patrones de los mosaicos de Penrose en matemáticas (imagen característica) y los cuasicristales en física.

«En esta secuencia cuasi-periódica, hay un desarrollo complicado que cancela cualquier error que vive en el borde [or boundary of a system, which in the present case is one-dimensional with point-like boundaries] ’, agregó Dumitrescu. «Debido a esto, el borde permanece cuánticamente coherente durante mucho, mucho más tiempo de lo que cabría esperar».

Sus cálculos mostraron que los iones en los extremos de una cadena de qubits entrelazados conservaron sus propiedades cuánticas durante mucho más tiempo cuando se irradiaron con el pulso que sin él. Este efecto se debió a que la descripción matemática de esta pareja era como si vivieran en una dimensión temporal adicional.

«[Using an ‘extra’ time dimension] es una forma completamente diferente de pensar sobre las fases de la materia”, dijo Dumitrescu. «He estado trabajando en estas ideas teóricas durante más de cinco años y es emocionante ver cómo se materializan en los experimentos».

Para probar esta predicción, un grupo de experimentadores dirigido por Brian Neyenhuis de Honeywell Quantum Solutions utilizó la computadora cuántica H1 de Honeywell, que se basa en diez iones de iterbio.

Dirigieron dos secuencias de pulsos láser a los qubits: la primera secuencia era periódica y la segunda, la propuesta por los teóricos. En el caso periódico, los qubits de borde conservaron el estado cuántico entrelazado necesario durante aproximadamente 1,5 segundos, lo que es muy impresionante para una computadora cuántica. Pero con el patrón cuasi periódico, los qubits permanecieron en sus estados cuánticos durante todo el experimento, que duró unos 5,5 segundos.

Este resultado muestra que el estado qubit recién descubierto puede servir como una base más sólida para la computación cuántica. Sin embargo, los investigadores aún tienen que entender cómo integrar su descubrimiento con los algoritmos de computación cuántica reales.

Se obtuvo un resultado tan impresionante para un sistema unidimensional, pero los teóricos predijeron que los sistemas cuánticos de mayor dimensión podrían ser aún más resistentes a los errores. Los autores del presente estudio esperan que su trabajo sea un paso importante hacia la implementación práctica de estos estudios teóricos.

Referencia: Philipp T. Dumitrescu, et al., Fase topológica dinámica realizada en un simulador cuántico de iones atrapados, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04853-4

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