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.

6 Comentarios

Participa Suscríbete

planck

Los computadores cuánticos, la fusión nuclear, la detección de ondas gravitatorias y de partículas de energía oscura, la supersimetría… parecen que están a la vuelta de la esquina pero nunca conseguimos alcanzarlos. Los retos son cada vez más complejos y exigen un mayor esfuerzo, así avanza la ciencia, con pequeños pasos como el explicado en este artículo. Recuerdo que hace muy poco los expertos en el campo decían que la computación cuántica está solo a 5 años vista: http://motls.blogspot.com/2012/02/qc...may-be.html
Vistos los precedentes creo que nadie se lo cree pero bueno hay que ser positivos, en cualquier momento un avance fundamental puede acelerar el avance en muchas ramas de la Física y la Cosmología…

emulenewsemulenews

Cuidado, Planck, no mezclemos churras con merinas.

La predicción de 5 años para los ordenadores cuánticos realizada por el grupo de Martinis, obviamente, no es compartida por ningún otro experto (antes de 2050 no habrá ordenadores cuánticos con más de 100 cubits entrelazados según cualquier experto).

En cuanto a la fusión nuclear, quién ha dicho que esté a la vuelta de la esquina; ITER no es un reactor de fusión nuclear es solo un experimento que se iniciará alrededor de 2020 y cuyos resultados se usarán para disñear un reactor de fusión de demostración, DEMO, como pronto, alrededor de 2040, siendo optimistas.

En cuanto a la detección (directa) de ondas gravitatorias se está avanzando mucho y si los modelos teóricos no fallan, podría haber una primera señal a finales de esta década. Nos estamos acercando al límite en el que si no se encuentra dicha señal es porque algo falla en la teoría.

No hay partículas de energía oscura, supongo que te refieres a las partículas de materia oscura; antes de 2020 iniciaran la toma de datos una serie de detectores que si no encuentran para 2020 la partícula de materia oscura es porque dicha partícula no existe.

Finalmente, en cuanto a la supersimetría, su reino natural, la escala de Planck, no está a nuestro alcance; todas las propuestas de SUSY a la escala O(TeV) están basadas en estirar la idea hasta límites poco “naturales” (pero quien sabe, lo mismo la Naturaleza nos da una sorpresa, pero a mi pesar no lo creo).

planck

Sí es verdad, he mezclado cosas muy diferentes y obviamente quería referirme a partículas de materia oscura no de energía oscura. Lo que quería decir es que por regla general las previsiones sobre como pueden transcurrir los descubrimientos científicos en un futuro siempre se quedan cortas (al igual que los presupuestos iniciales de cualquier proyecto). Es cierto que la fusión nuclear nunca ha estado a la vuelta de la esquina pero las previsiones iniciales se han quedado muy cortas (lo cual es lógico debido a la enorme complejidad del proyecto, los problemas económicos,etc), en la materia oscura llevamos décadas sin detectar nada de forma concluyente e incluso los experimentos se contradicen entre si, con las ondas gravitatorias también hemos fallado de momento y respecto a la supersimetría muchos físicos esperaban ver alguno de los supercompañeros más ligeros en el LHC (aún es posible). Por supuesto esto no es una crítica ni a la ciencia en general ni a los científicos ¡faltaría más! es solo un lamento de alguien que quisiera ver resueltos alguno de los grandes problemas de la física a lo largo de su vida pero por supuesto a la naturaleza esto le importa un cuerno. De todas formas muchas veces la felicidad no está en la meta sino en el camino y que a nadie le quede duda de que la ciencia lo seguirá intentando sin descanso…
Por cierto Francis enhorabuena por tu excelente participación en Amazings Bilbao.

rrtucci

La prediccion no es parte de la ciencia. Este comentario de Franics no era necesario. Es mas bien tipo “intimidacion por el macho alpha”, a la moda de Lubos.

josejuan

Desde mi enorme ignorancia me pregunto: si una “débil” medida (y por tanto determinista) permite corregir el “débil” efecto decoherente producido (al hacer la “débil” medida) y además puede realizarse durante tiempo indefinido, ¿qué relación “misteriosa” (forzosamente determinista) hay entre el efecto determinista que se controla (los “empujones”) y el estado “indeterminista” del sistema?, en cierta forma, esos “empujones” me hacen pensar en una esfera en equilibrio sobre la punta de un alfiler (sistema claramente determinista); pero como se supone que el sistema es intrínsecamente “indeterminista”, algo hay entre los “empujones” deterministas y el estado “indeterminista” que se consigue mantener con ellos.

La explicación más razonable, obvia y sencilla es que simplemente no lo entiendo, pues no veo cómo la suma de “determinaciones” pueden hacer una “indeterminación”.

Gracias por cualquier tipo de aclaración.

Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>