Átomos neutros ultrafríos han ayudado a superar el arraigado desafío de construir sistemas cuánticos
Ha comenzado la carrera de la tecnología cuántica. En octubre, la Unión Europe puso en marcha su emblemática iniciativa en materia de tecnologías cuánticas, dotada de 1 000 millones de euros para financiar a más de 5 000 investigadores durante los próximos diez años. El Congreso estadounidense, por otra parte, respondía en el momento de redacción de este artículo con su propia ley de tecnologías cuánticas, con un presupuesto de 1 200 millones de dólares estadounidenses. Evidentemente ya existen los primeros prototipos de ordenadores cuánticos, pero todavía quedan muchos obstáculos en la investigación fundamental, por ejemplo la necesidad de aumentar la precisión de las interacciones y la manipulación de cúbits individuales. El proyecto QuantuM-nano se propuso solucionar este problema centrándose en los átomos neutros ultrafríos, distanciándose así del enfoque más habitual de la computación cuántica basado en circuitos superconductores. «Los átomos neutros ultrafríos poseen varias propiedades interesantes. Por ejemplo, todos los átomos de una determinada especie son intrínsecamente idénticos, lo cual resulta muy beneficioso al utilizarlos como cúbits», comenta el profesor Jakob Reichel del Laboratoire Kastler Brossel en París, coordinador del proyecto. «Los átomos neutros también pueden aislarse magníficamente del mundo exterior: suelen estar atrapados en campos magnéticos dentro de una cámara de vacío, lo cual ayuda a preservar su comportamiento cuántico. Además, son relativamente fáciles de manipular gracias al impresionante avance durante las últimas décadas de la física atómica y de la tecnología láser. Por último, su falta de carga eléctrica es una ventaja al intentar ampliar los sistemas encerrando numerosos átomos en un volumen reducido». Mientras que ya se ha estudiado y reconocido el valor de los átomos ultrafríos para simulaciones cuánticas, QuantuM-nano destaca por su enfoque novedoso consistente en el desarrollo de cadenas de cúbits atómicos. Cada cúbit atómico está confinado en una trampa óptica individual, mientras que se eliminan todos los puntos de retención, lo cual da lugar a cadenas completamente exentas de defectos. Esto, a su vez, permite alinear los átomos de forma completamente regular. «A partir de ese punto, comenzamos a estudiar dos métodos para lograr la interacción entre cúbits: interacciones dipolares e intercambio coherente de fotones en una cavidad», explica el doctor Sylvain Schwartz, ahora en el Laboratoire Kastler Brossel, pero trabajador de Harvard durante dos años como parte del proyecto. Los grandes avances del proyecto han permitido la creación de un gran simulador cuántico programable con hasta cincuenta y uno átomos que posee, en opinión del doctor Schwartz, un grado de control sin precedentes. «Con esta plataforma podríamos explorar el diagrama de fases de un hamiltoniano de Ising, estudiar la dinámica de diversas transiciones de fases cuánticas y preparar estados entrelazados de dos átomos basados en interacciones de Rydberg con la mayor fidelidad obtenida hasta la fecha: más de un 97 %», comenta. En el futuro, el profesor Reichel espera que estas plataformas se utilicen para poner en práctica algoritmos de optimización cuántica, mediante los cuales un problema difícil de resolver en un ordenador clásico se codifica en un sistema cuántico de tal modo que el sistema evoluciona de forma natural hacia la solución deseada; no obstante, todavía queda mucho trabajo por delante. «En combinación con cavidades ópticas, estos sistemas también podrían servir para crear estados cuánticos metrológicamente útiles que ampliarían los límites de los relojes atómicos de vanguardia, lo cual a su vez podría emplearse en la geodesia o para comprobar algunas leyes fundamentales de la física que todavía se ponen en tela de juicio», añade. Ahora el consorcio desea ampliar su investigación desde los átomos monovalentes con una estructura relativamente sencilla, como el rubidio, a átomos divalentes, como el estroncio, que según se prevé se emplearán en los futuros relojes atómicos.
Palabras clave
QuantuM-nano, sistemas cuánticos, cúbits atómicos, átomos ultrafríos, átomos neutros
