Mantener un cubit estable durante un tiempo indefinido parece
imposible, ya que la decoherencia cuántica destruye su estado. ¿Se puede
controlar la decoherencia? En 2002 se propuso un esquema teórico para
controlar la decoherencia mediante un bucle realimentado continuo
utilizando medidas débiles. Se publica en Nature la primera
implementación experimental de dicho esquema. Un cubit superconductor
acoplado a una cavidad óptica de microondas, que sin control sufre la
decoherencia en pocos microsegundos, gracias al control realimentado
logra mantener su estado durante al menos 20 milisegundos (unas 10000
actuaciones del control); por cuestiones técnicas no se ha podido medir
el cubit durante un tiempo más largo, aunque los autores del artículo
afirman que la teoría predice que su método podría haber logrado
controlar el cubit durante un tiempo casi indefinido. Aunque quizás son
muy optimistas, este nuevo resultado es un gran avance en el campo de
los computadores cuánticos. Nos lo cuenta Howard M. Wiseman, “Quantum
physics: Cruise control for a qubit,”
Nature 490: 43–44 (04 October 2012),
que se hace eco del artículo técnico de R. Vijay et al., “Stabilizing
Rabi oscillations in a superconducting qubit using quantum feedback,”
Nature 490: 77–80 (04 October 2012) [
arXiv:1205.5591].
La idea del control realimentado se ilustra en la figura que abre
esta entrada. Imagina que tienes que conducir un coche en un juego de
ordenador por una pista de carreras circular de tal forma que des una
vuelta al circuito cada minuto. Hay un gran reloj en el centro de la
pista que te marca el tiempo. ¿Cómo lo harías? Lo más obvio sería tratar
de mantener la velocidad del coche para que fuera justo al lado del
lugar apuntado por la manilla (o aguja) del reloj. Si vas un poquito por
detrás, pisarás el acelerador, pero si la adelantas, pisarás el freno
(o desacelerarás). Este proceso se llama control realimentado continuo.
Vijay
et al. han utilizado esta idea para controlar un cubit
superconductor de estado sólido (un diodo Josephson) acoplado a una
cavidad de microondas tridimensional. Aplicando un campo de microondas a
cierta frecuencia (que actuará como reloj) se puede lograr que el cubit
“resuene” al ritmo de dicho campo. La decoherencia cuántica (debida a
cualquier fluctuación del sistema cuántico) hace que el cubit se
desacople del reloj y se ponga a oscilar a un ritmo impredecible, lo que
provoca la medida accidental y el correspondiente colapso de su estado.
Gracias al sistema de control realimentado, basado en una medida débil
continua del estado del cubit y la aplicación adecuada de fotones de
microondas a mayor frecuencia, se puede conseguir que el cubit resuene
con el reloj y mantenga su estado por un tiempo casi indefinido (según
los autores). Obviamente, la eficiencia del control no es del 100% y los
experimentos solo han alcanzado el éxito en un 50% de los casos.
El cubit utilizado en este experimento se denomina transmón. A muy
baja temperatura este cubit superconductor presenta solo dos estados
cuánticos, el fundamental y el primer estado excitado. Dentro de la
cavidad de microondas, el cubit puede entrar en resonancia con un campo
externo aplicado, apareciendo a la salida de la cavidad las llamadas
oscilaciones de Rabi, que pueden ser utilizadas para realizar una medida
débil del estado del cubit. Esta salida (OUT) de la cavidad es enviada a
una serie de amplificadores que se utilizan como entrada del sistema de
control realimentado. Para la actuación sobre el cubit se utilizan
fotones de alta frecuencia que son introducidos en la cavidad resonante
uno a uno por la entrada (IN). La aplicación adecuada de estos pulsos
(los detalles técnicos que determinan cómo hay que hacerlo están más
allá del objetivo de esta entrada) permite salvar al cubit de la
decoherencia, manteniendo su estado de forma prácticamente indefinida.
Este hecho se ha demostrado gracias a las mismas oscilaciones de Rabi.
El acuerdo entre las medidas experimentales y las predicciones teóricas
(obtenidas mediante simulación numérica) es excelente.
Según los autores, este esquema de control activo de la decoherencia
cuántica podría permitir mantener el cubit en su estado durante un
tiempo casi indefinido. Obviamente, no basta con tener un cubit para
lograr un computador cuántico, además hay que entrelazar varios cubits.
Los autores afirman que la tecnología que han utilizado se puede
extender a un registro de varios cubits entrelazados (lo que requerirá
varios años de estudios y experimentos). En su caso, el control activo
podría ser una alternativa práctica a las técnicas de corrección de
errores, hasta ahora la única manera de combatir la decoherencia. Habrá
que estar al loro de estos avances, en apariencia muy prometedores.
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