El gran problema de los computadores cuánticos es la decoherencia:
Un sistema cuántico no puede permanecer eternamente aislado y sus estados cuánticos se mezclan con los del entorno, perturbando cualquier algoritmo de computación con ruido espurio.
Para luchar contra la decoherencia el camino más habitual son los códigos
y algoritmos correctores de error, pero existe otra vía, los sistemas de control activos capaces de corregir los efectos de la decoherencia en tiempo real.
Se publica en Nature un gran paso en este sentido, la primera implementación experimental de la propuesta teórica del mexicano J.M. Geremia (2006).
Un sistema de control realimentado requiere un sensor (del estado a controlar) y un actuador (sobre dicho estado).
Como sensor se utilizan medidas cuánticas débiles que permiten determinar
el estado del sistema cuántico con una perturbación mínima y decidir qué acción debe tomar el actuador (que sigue las órdenes de un programa
de ordenador).
Como actuador se utiliza el mismo sistema que permite preparar el estado inicial del sistema, basado en el acoplamiento con un cubit externo.
Gracias al nuevo sistema de control activo el estado cuántico ha sobrevivido
a la decoherencia durante más de 164 milisegundos (200 bucles de control) en un estado entrelazado de 7 fotones, todo un récord.
El artículo técnico es Clément Sayrin et al., “Real-time quantum feedback prepares and stabilizes photon number states,” Nature 477: 73–77, 01 September 2011 (ArXiv preprint), y J.M. Geremia, “Deterministic and Nondestructively Verifiable Preparation of Photon Number States,” Phys. Rev. Lett. 97: 073601, 2006.
Los detalles técnicos son difíciles de explicar sin utilizar la oscura jerga de la mecánica cuántica. En este artículo los estados cuánticos se han representado utilizando fotones (en el régimen de microondas).
Un fotón puede encontrarse en dos estados, un estado fundamental |g y un estado excitado |e, que actúan como los dos estados de un cubit
(bit cuántico).
Un estado de Fock con n fotones es un registro binario de ncubits que puede estar en 2n posibles estados.
Un estado de Fock es como una celda una memoria cuántica.
Estos estados de Fock son difíciles de generar y muy frágiles debido a la decoherencia.
Si Tc es el tiempo de decoherencia para un solo fotón, cuando se utiliza
un registro con n fotones en un estado de Fock dicho tiempo se reduce a Tc/n.
En el nuevo artículo se ha utilizado un estado de Fock con 7 fotones.
La decoherencia se observa cuando uno de los fotones del estado de Fock
se entrelaza con el entorno y el registro de cubits se rompe en dos registros de menor tamaño.
Cuando el sistema de control activo detecta que un fotón empieza a sufrir
los efectos de la decoherencia, se encarga de que el actuador restituya el estado original de dicho fotón (inyectando estados clásicos de Glauber “pequeños” que no afectan a los demás fotones).
Por ahora, esta idea es útil en memorias cuánticas que almacenan un estado cuántico en un registro de cubits, o en sistemas de comunicación cuántica que transmitan información por un canal.
Explicar los detalles técnicos del experimento
está más allá de mi objetivo con esta entrada.
Esta figura muestra el esquema implementado.
El sistema utiliza un interferómetro atómico de Ramsey (cavidades auxiliares R1 y R2) alrededor de un cavidad resonante superconductora de Fabry–Perot (C) a 51 GHZ que está enfriada a 0,8 K.
Los 7 fotones se encuentran encerrados en dicha cavidad C.
El actuador (A) utiliza una fuente clásica de pulsos (S) que provocan transiciones no resonantes en la cavidad de Fabry-Perot, es decir, transiciones |g>→|e>.
Un sistema de átomos acoplados permite seleccionar sobre
qué fotón concreto se actúa, sin afectar a los demás.
Como sensor se utiliza el detector por ionización (D) que mide los estados
de los cubits en la base e/g con una eficiencia del 35%.
El controlador (K) recoge información del sensor D y gracias a un programa
de control traslada dicha información al actuador A.
Explicar más detalles nos llevaría demasiado lejos.
Mi idea con esta figura es ilustrar lo complicado que es el sistema utilizado.
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