Puertas de un sólo átomo. Un paso más hacia la computación cuántica


Un análogo cuántico de información de un transistor ha sido presentado por dos grupos independientes en Alemania y los EE.UU.. Ambos dispositivos comprenden un solo átomo que puede cambiar el estado cuántico de un fotón. Los resultados son un paso importante hacia el desarrollo de ordenadores cuánticos prácticos.

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A diferencia de los ordenadores convencionales, que almacenan los bits de información en determinados valores de 0 ó 1, los ordenadores cuánticos almacenan la información en qubits, que son una superposición de ambos valores. Cuando se entrelazann estos qubits, cualquier cambio en uno afecta inmediatamente a los demás. Por lo tanto, los qubits pueden trabajar al unísono para resolver ciertos problemas complejos mucho más rápido que sus homólogos clásicos.

Los qubits se pueden crear desde la luz o desde la materia, pero muchos investigadores creen que las computadoras cuánticas prácticas del futuro tendrán que depender de las interacciones entre ambas. Por desgracia, la luz tiende sólo a interactuar con la materia, cuando la luz es muy intensa y la materia muy densa. Así, hacer que un solo fotón y un solo átomo interactúen es un desafío, porque los dos son muy propensos a pasar directamente a través del otro.

En 2004 los físicos Jeff Kimble del Instituto de Tecnología de California y Luming Duan de la Universidad de Michigan propusieron un plan para hacer que esto funcionara. Su idea era colocar un átomo dentro de una cavidad óptica – una cámara de espejo pequeño en el que las paredes estén separadas a una distancia similar a la longitud de onda de la luz. Si un fotón incidente en la cavidad tiene sólo la longitud de onda correcta para hacer que la cavidad resuene, será absorbido, reflejándose en uno de los espejos y volverá a salir. En este proceso, la forma de onda del fotón saliendo se desplaza a lo largo poco, por lo que experimenta un “cambio de fase”.

El truco es que la resonancia de la cavidad depende del estado del átomo. Si el átomo está en un estado diferente, la cavidad no resuena con el fotón incidente, y éste simplemente rebota sin recibir un desplazamiento de fase. De esta manera, el estado del átomo controla el estado de fase de los fotones transmitidos. Esto es como un transistor de ordenador, en el que una tensión de puerta controla el flujo de la corriente eléctrica.

Una década después, Stephan Ritter y sus colegas del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica en Garching han implementado la propuesta de Kimble y Duan utilizando una cavidad óptica “Fabry-Perot”, que consiste en dos espejos curvados alrededor a la mitad de un milímetro de distancia. Mientras tanto en la Universidad de Harvard y el Instituto de Tecnología de Massachusetts, Mikhail Lukin y sus colegas han llevado a cabo la propuesta en un chip de silicio con una cavidad que mide tan sólo unas pocas micras de tamaño, lo que mejora aún más la interacción fotón-átomo. En ambas manifestaciones, es el espín del átomo atrapado -que puede ser arriba o abajo- lo que controla la resonancia de la cavidad.

Ambos grupos han demostrado que pueden preparar el átomo en una superposición de arriba y abajo, lo que permitirá – en principio, por lo menos – operaciones lógicas cuánticas. Ritter y sus colegas dieron un paso más mediante la demostración de que su puerta genera el entrelazamiento entre el átomo y el fotón, de modo que los qubits de información pueden ser transferidos de una a la otra.

Klemens Hammerer de la Universidad Leibniz en Alemania cree que los dos experimentos representan un “gran avance”, pero advierte de que son, hasta ahora, la única prueba del principio. “La puesta a punto involucra – así como suena  una gran sobrecarga técnica: los experimentos normalmente llenan todo un laboratorio. Para las aplicaciones de la vida real de procesamiento cuántico de información óptica, se podría requerir un gran número de fotones, interaccionando entre sí. El ordenadora cuántico no está a la vuelta de la esquina. Pero estos experimentos, al menos, dan una dirección a seguir.”

Ambos grupos están intentando vincular varios átomos en cavidades ópticas para construir una red cuántica prototipo, o un prototipo de ordenador cuántico. “Como primer paso, en estos momentos estamos trabajando en la colocación de dos átomos dentro de la misma cavidad óptica, con el objetivo de utilizar la luz de la cavidad para realizar una operación de puerta cuántica entre los dos átomos”, dice Jeff Thompson del grupo de Lukin.

La investigación se publica en documentos separados en la revista Nature

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