Coherencia prolongada para unas mejores aplicaciones de información cuántica
Ante la proximidad de alcanzar un límite en la ley de Moore, todas las miradas se orientan actualmente hacia la tecnología de información cuántica. Una realidad no tan lejana: arquitecturas cuánticas tales como los iones atrapados, los centros de color por vacantes en cristales y los átomos de Rydberg ya se encuentran disponibles y listas para su uso en aplicaciones de información cuántica. A partir de ahí, el principio es sencillo, al menos sobre el papel: cuanto más prolongada sea la coherencia cuántica, más ricas e interesantes resultarán las aplicaciones obtenidas. En otras palabras, los físicos cuánticos necesitan nuevos métodos para evitar la decoherencia debida al ruido, las fugas y los canales de decaimiento. Itsik Cohen ha investigado distintas vías para el mantenimiento de dicha coherencia y concebido diversas aplicaciones cuánticas en el marco del proyecto MQC. Este becario del programa Marie Skłodowska-Curie ha accedido a dialogar con nosotros acerca de su método y sus hallazgos.
Su trabajo gira en torno a la coherencia cuántica. ¿Por qué es importante para el futuro la computación cuántica?
Itsik Cohen: En física, la coherencia se mantiene mientras las ondas preservan su fase relativa, lo que da lugar a fenómenos de interferencia. En el caso de la coherencia cuántica, ocurre lo mismo: esta se mantiene cuando la superposición cuántica (en fase y amplitud) permanece estable. La coherencia cuántica ocupa un lugar central en la tecnología de información cuántica. Esta última solo puede desarrollarse si se logra mantener la coherencia cuántica. De hecho, cuanto más complejas sean las aplicaciones cuánticas, más prolongado será el tiempo de coherencia necesario. Del mismo modo, un tiempo de coherencia más prolongado conlleva un rendimiento mayor y una fidelidad superior del funcionamiento cuántico, algo extremadamente importante en el caso de la computación cuántica.
¿Cómo puede lograrse dicho grado de coherencia?
Para mantener la coherencia es preciso solventar el ruido, las fugas y los canales de decaimiento, que constituyen las fuentes principales de decoherencia. Técnicas de reenfoque, tales como el desacoplamiento dinámico y la corrección de errores cuánticos, se han desarrollado de manera específica con esta finalidad. El campo del desacoplamiento dinámico surgió a partir de la idea de Hahn de reenfocar el ensanchamiento inhomogéneo propio de la resonancia magnética nuclear (RMN). Este efecto se conoce como eco de espín. Actualmente se utiliza en numerosas áreas de la física, desde los sistemas atómicos hasta la materia condensada. Los hallazgos en este campo nos capacitaron para fijar, manipular y detectar el estado de un cúbit con una precisión extremadamente alta. Y lo que es aún más impresionante: permitieron prolongar el tiempo de coherencia de los cúbits en varios órdenes de magnitud. Un planteamiento complementario al desacoplamiento dinámico de pulsos es el enfoque continuo: Un campo resonante y continuo da lugar a una banda de energía que protege el sistema contra el espectro de baja potencia de la fuente de decoherencia. El campo de corrección de errores cuánticos, por otra parte, nació gracias a las medidas de síndromes y al algoritmo de factorización de Peter Shor. En el algoritmo de Shor, un único cúbit computacional se describe mediante 9 cúbits reales y el ruido se detecta mediante medidas que mantienen intacto el subespacio del cúbit. Así, es posible aplicar operaciones de factorización e invertir el proceso de ruido. Hay que señalar que, como los protocolos de QEC exigen más recursos, resulta preferible, en un sentido experimental, emplear los esquemas de DD siempre que sea posible.
En su opinión, ¿por qué este método del proyecto resulta innovador?
El empleo de los métodos de reenfoque para mantener la coherencia cuántica depende de las fuentes de ruido, que difieren para cada plataforma cuántica, así como del dispositivo experimental. Un uso descuidado de estas intervenciones protectoras también podría reenfocar y destruir la aplicación cuántica deseada. Lo que hace mi proyecto especialmente innovador es la superación de esta dificultad, pues se requiere una gran dosis de creatividad para compensar el ruido al tiempo que se desarrollan las aplicaciones deseadas.
¿Cómo logró solventar los problemas asociados con las plataformas de comunicación cuántica?
En un proyecto previo propusimos, de manera teórica, un plan para la distribución del entrelazamiento cuántico en redes cuánticas. Enviando un único fotón entre nodos cuánticos (cada uno de los cuales consiste en un cúbit atómico encerrado en una cavidad), fuimos capaces de generar una puerta de fase multicontrol entre átomos. Se trata de una puerta universal importante, , pues es necesaria para los protocolos de búsqueda cuántica. Uno de los obstáculos experimentales radica en el mantenimiento de la fase óptica del fotón, debido a las fluctuaciones en su longitud de onda óptica. Superamos este problema enviando varios fotones a la red cuántica. Para ello, empleamos una versión pulsada del desacoplamiento dinámico con el fin de reenfocar la fase óptica aleatoria. Más recientemente, en una colaboración teórico-experimental con el grupo del Instituto Weizmann dirigido por Ofer Firstenberg, demostramos que se puede aplicar el desacoplamiento dinámico continuo para proteger una excitación colectiva de átomos calientes contra el ensanchamiento Doppler. Cuando un fotón (o un pulso coherente débil) es absorbido por vapor atómico, esta excitación atómica global actúa como una onda de espines. Cada átomo posee una fase según su posición y el momento del fotón absorbido. Debido al carácter aleatorio de las velocidades atómicas, la excitación global se encuentra sujeta a la decoherencia Doppler, que destruye la fase atómica deseada. Para superar esta dificultad, introdujimos otro estado sensor auxiliar cuya sensibilidad era opuesta a dicho mecanismo Doppler. Dirigiendo convenientemente la transición entre el estado excitado y el estado sensor, los acoplamos y obtuvimos un estado entrelazado protegido e insensible al ruido Doppler. Logramos prolongar el tiempo de coherencia.
¿Cuáles son, para usted, los resultados más importantes de ambos proyectos hasta el momento, y por qué?
Los dos proyectos son importantes en el campo de las tecnologías de información cuántica. Ambos tienen muchas aplicaciones futuras y pueden dar lugar a investigaciones enriquecedoras. Sin embargo, como teórico que soy, creo que cualquier propuesta teórica que madure lo suficiente hasta resultar viable experimentalmente acaba siendo más importante que aquellas que no lo hacen. Por este motivo, creo que la colaboración teórico-experimental del segundo proyecto es más importante. Esto es válido, al menos por ahora, hasta que el primer proyecto se lleve a cabo experimentalmente.
A largo plazo, ¿cuál espera que sea el impacto de sus investigaciones en la computación cuántica? ¿Qué aplicaciones vislumbra?
Los átomos Rydberg se han convertido recientemente en un candidato interesante como plataforma de computación cuántica. Nuestro método puede emplearse con el fin de proteger contra la decoherencia Doppler, al tiempo que resulta eficaz para poblar los estados Rydberg necesarios para generar interacciones entre distintos átomos. Por consiguiente, estoy seguro de que nuestro esquema será útil para experimentos futuros en computación cuántica con átomos Rydberg. Ampliar la escala de la computación cuántica a un gran número de cúbits sigue siendo uno de los principales retos del procesamiento de información cuántica. El empleo de nuestro método de distribución del entrelazamiento cuántico en las redes cuánticas va unido al concepto de una jerarquía de ordenadores cuánticos, en la que cada nodo cuántico no es sino un ordenador cuántico de unos cuantos cúbits. Por tanto, estoy convencido de que, aunque nuestro método debe confirmarse experimentalmente, acabará siendo útil.
¿Puede contarnos más sobre sus planes de cara al futuro?
Existen varias opciones. Una de ellas consiste en la investigación académica en el campo de las tecnologías cuánticas. Por otra parte, hay muchas empresas fuera del ámbito académico donde también podría hacer algunas aportaciones. Aún no lo he decidido.
Palabras clave
MQC, información cuántica, coherencia, decoherencia, Doppler, entrelazamiento cuántico