Los ingenieros de la UNSW han probado un importante experimento de pensamiento cuántico en el mundo real. Sus resultados proporcionan una forma nueva y más sólida de realizar computación cuántica y tienen implicaciones importantes para la corrección de errores, una de las mayores barreras que se interponen entre ellos y una computadora cuántica en funcionamiento.
La mecánica cuántica ha desconcertado a científicos y filósofos durante más de un siglo. Uno de los experimentos mentales cuánticos más famosos es el del “gato de Schrödinger”, un gato cuya vida o muerte depende de la desintegración de un átomo radiactivo.
Según la mecánica cuántica, a menos que un átomo sea observado directamente, se debe considerar que está en una superposición (es decir, que está en múltiples estados al mismo tiempo), desintegrándose y no desintegrándose. Esto lleva a la inquietante conclusión de que el gato se encuentra en la superposición de vivo y muerto.
“Nadie ha visto nunca un gato real vivo y muerto al mismo tiempo, pero se utiliza la metáfora del gato de Schrödinger para describir una superposición de estados cuánticos”, afirma el profesor de la UNSW, Andrea Morello, que puede ser muy variable. , líder del equipo de investigación, publicado recientemente en la revista Física de la naturaleza.
gato atómico
Para este trabajo de investigación, el equipo del profesor Morello utilizó un átomo de antimonio, que es mucho más complejo que los ‘qubits’ estándar, o bloques de construcción cuánticos.
“En nuestro trabajo, el ‘gato’ es un átomo de antimonio”, dice Xi Yu, autor principal del artículo.
“El antimonio es un átomo pesado, con un gran espín nuclear, es decir, un gran dipolo magnético. El espín del antimonio puede tomar ocho direcciones diferentes en lugar de sólo dos. No parece mucho, pero en realidad se comporta completamente. El sistema de espines del antimonio Apuntar en direcciones opuestas no es simplemente una superposición de ‘arriba’ y ‘abajo’, ya que los múltiples estados cuánticos están separados por dos ramas de la superposición”.
Esto tiene profundas consecuencias para los científicos que trabajan en la construcción de computadoras cuánticas utilizando el espín nuclear de los átomos como elemento básico de construcción.
“Normalmente, la gente utiliza un bit cuántico, o ‘qubit’, algo descrito por sólo dos estados cuánticos, como unidad básica de información cuántica”, dice el coautor Benjamin Wilhelm.
“Si el qubit es un giro, podemos llamar al estado ‘0’ ‘giro hacia abajo’ y al estado ‘1’ ‘giro hacia arriba’. Pero si la dirección del giro cambia repentinamente, tenemos un error lógico instantáneo”. : 0 1 o viceversa, sólo una vez. Por eso la información cuántica es tan frágil”.
Pero en el átomo de antimonio, que tiene ocho orientaciones diferentes, si ‘0’ está codificado como ‘gato muerto’ y ‘1’ como ‘gato vivo’, entonces un código cuántico para rotar un error no es suficiente.
Como dice el refrán, un gato tiene nueve vidas. Un pequeño rasguño no es suficiente para matarlo. Nuestro ‘gato’ metafórico tiene siete vidas: serán necesarios siete errores seguidos para convertir un ‘0’ en un ‘1’. “Ese es el sentido en el que la superposición de estados de espín de antimonio en direcciones opuestas es ‘macroscópica’, porque ocurre a gran escala y es un gato de Schrödinger”, explica Yu.
Tecnología escalable
El gato de antimonio está incrustado dentro de un chip cuántico de silicio, como el de nuestros ordenadores y teléfonos móviles, pero adaptado para dar acceso al estado cuántico de un átomo. El chip fue construido por el Dr. Daniel Holmes de la UNSW, mientras que colegas de la Universidad de Melbourne insertaron el átomo de antimonio en el chip.
“Al albergar un ‘gato de Schrödinger’ atómico dentro de un chip de silicio, obtenemos un control exquisito sobre su estado cuántico, o sobre la vida o la muerte, por así decirlo”, dice el Dr. Holmes.
“Además, alojar ‘CAT’ en silicio significa que, a largo plazo, esta tecnología podrá ampliarse utilizando métodos similares a los que ya utilizamos para fabricar chips de ordenador”.
La importancia de este avance es que abre la puerta a una nueva forma de realizar computación cuántica. La información todavía está codificada en código binario, ‘0’ o ‘1’, pero hay un mayor ‘margen de error’ entre los códigos lógicos.
“Un error, o incluso algunos, no reducen inmediatamente la información”, dice el profesor Morello.
“Si se produce un error, lo detectamos inmediatamente y podemos corregirlo antes de que se acumulen más errores. Siguiendo con la metáfora del ‘gato de Schrödinger’, es como si hubiéramos atrapado a nuestro gato. Se lo ve regresar a casa con un gran rasguño en la cara. lejos de estar muerto, pero sabemos que se peleó, podemos ir y averiguar quién lo hizo antes, que esto vuelve a suceder y nuestro gato se lastima más”.
Demostrar la detección y corrección de errores cuánticos (el “santo grial” de la computación cuántica) es el próximo hito en el que se centrará el equipo.
Este trabajo fue el resultado de una extensa colaboración internacional. Los dispositivos cuánticos fueron fabricados y operados por colegas de la Universidad de Melbourne, además de varios autores de la UNSW Sydney. En Estados Unidos, los colegas teóricos de los Laboratorios Nacionales Sandia y de la NASA Ames, y en Canadá, de la Universidad de Calgary, descubrieron cómo hacer un gato y cómo estimar su complejo estado cuántico.
“Este trabajo es un maravilloso ejemplo de colaboración sin fronteras entre equipos líderes a nivel mundial con experiencia complementaria”, dice el profesor Morello.
