jueves, 4 de octubre de 2012

El control activo de la decoherencia cuántica

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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