El “gato vudú” cuántico ha sido fabricado fotón a fotón

Tomografía de Wigner de un estado de 9 fotones tipo "gato vudú" comparando teoría (izq.) con experimento (der.). (C) Nature
Tomografía de Wigner de un estado de 9 fotones tipo "gato vudú" comparando teoría (izq.) con experimento (der.). (C) Nature

El “gató vudú” (voodoo cat) es un sistema cuántico con 3 estados (vivo, muerto y zombie). Hofheinz et al. han logrado preparar este estado con 9 fotones. El parecido entre el resultado experimental y la teoría es asombroso. La preparación de este tipo de estados de superposición es la base de la computación cuántica. El principio de superposición es el secreto fundamental de la mecánica cuántica, permitiendo que un sistema cuántico esté “en dos lugares al mismo tiempo,” ya que un estado cuántico puede contener simultáneamente varios estados físicos diferentes que se pueden medir de forma separada.

¿Se puede preparar un estado cuántico en superposición arbitrariamente complejo? Hofheinz et al. han demostrado cómo preparar un estado de superposición de múltiples fotones individuales en un resonador electromagnético superconductor. Su diseño les permite añadir y quitar cada fotón uno a uno, hasta un límite de 9 (por ahora). Han caracterizado estos estados mediante la técnica de tomografía de Wigner (ver la figura) y han observado que el tiempo de decoherencia es mayor del esperado. Todo un logro hacia los futuros ordenadores cuánticos. El artículo técnico es de Max Hofheinz et al., “Synthesizing arbitrary quantum states in a superconducting resonator,” Nature 459: 546-549, 28 May 2009 . Nos lo comenta Yasunobu Nakamura, “Quantum physics: Tailor-made quantum states,” Nature 459: 516-517, 28 May 2009 . Por cierto no es la primera vez que Hofheinz publica en Nature una artículo en esta línea de investigación, es su segundo pleno en un año: Max Hofheinz et al., “Generation of Fock states in a superconducting quantum circuit,” Nature 454: 310-314, 17 July 2008 .

¿Qué es un estado tipo “gato vudú”? No sé por qué pero desde que Erwin Schrödinger introdujo su famoso gato, a los físicos cuánticos les gustan los gatos. Un “gato vudú” cuántico es un sistema cuántico que puede ser medido en tres estado posibles, que reciben nombres de lo más “vudú”: “vivo” (estado (-2,0) en la figura de arriba), “muerto” (estado (-1,-2) en la fig.) y “zombie” (estado (-1,2)). Este estado se puede construir con un número arbitrario de fotones (en su representación en el estado de Fock) aunque Hofheinz et al. sólo lo han logrado fabricar con precisión hasta 9 fotones (ver la figura).

¿Por qué llamarle “gato vudú”? Bromas de los físicos cuánticos. Los 3 estados de un “gato vudú” podrían llamarse con nombres de colores (rojo, verde y azul) como los quarks, con números (1, 2 y 3), con letras (A, B y C), etc., pero los autores han preferido nombres más a lo Iker Jiménez. ¡Cosas de los físicos cuánticos!

¿Para qué sirve este gran logro cuántico? El gran problema de los ordenadores cuánticos es la decoherencia, la vulnerabilidad de la superposición de estados ante cualquier perturbación el entorno (incluso el mismo vacío influye). Lograr sistemas cuánticos en superposición con largos tiempos de decoherencia es un paso obligado para lograr en un futuro ordenadores cuánticos. El trabajo de Hofheinz y sus colegas tiene tiempos de decoherencia (para 9 fotones) de unos 200 ns (nanosegundos). Parece poco, pero es mucho para un estado tan complejo. Este trabajo permitirá estudiar mejor cómo actúa la decoherencia en estados de superposición complejos lo que ayudará al futuro diseño de ordenadores cuánticos basados en circuitos electrónicos superconductores.

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