El efecto Casimir dinámico permite entrelazar cubits superconductores

Dibujo140221 dynamical casimir effect - bipartite entanglement

El efecto Casimir dinámico afirma que un espejo móvil a gran velocidad produce fotones a partir del vacío. El vacío del campo electromagnético se excita y aparecen fotones virtuales que se transforman en fotones (reales). Predicho en 1970, este efecto fue observado por primera vez en 2011 usando circuitos superconductores.

Lucas Lamata (UPV/EHU, Bilbao) y varios colegas demuestran que este efecto permite generar correlaciones cuánticas entre cubits. Este nuevo procedimiento para entrelazar cubits superconductores utilizando cavidades y dispositivos SQUID promete múltiples aplicaciones en el campo de la información cuántica. El artículo técnico es S. Felicetti et al., “Dynamical Casimir effect entangles artificial atoms,” arXiv:1402.4451 [quant-ph], 18 Feb 2014.

Recuerda, el efecto Casimir afirma que el vacío del campo electromagnético entre dos placas perfectamente conductoras produce una fuerza atractiva entre ellas. En ausencia de las placas, el vacío presenta modos electromagnéticos de longitud de onda arbitraria. Pero la distancia entre las placas es una cota máxima a la longitud de onda de los modos electromagnéticos en el vacío acotado por ellas. El resultado es que la presión de radiación del vacío entre las dos placas es menor que fuera de ellas, lo que explica la aparición de la fuerza de Casimir.

Un espejo móvil modifica el vacío electromagnético. Si su velocidad es mucho menor que la velocidad de la luz en el vacío, los modos electromagnéticos del vacío pueden adaptarse al cambio y el vacío continúa estando vacío. Pero para un espejo en movimiento relativista se producen cambios no adiabáticos en el vacío que dan lugar a la aparición de excitaciones electromagnéticas (fotones reales) a partir del vacío. El llamado efecto Casimir dinámico.

En física cuántica, cuando varios sistemas cuánticos tienen un origen común muestran correlaciones cuánticas. Por ello, los fotones generados por el efecto Casimir dinámico presentan correlaciones cuánticas (como parejas de fotones entrelazados). Cuando el vacío se encuentra en una cavidad cuyas paredes están conectadas a sendos cubits (mediante una interacción de Jaynes-Cummings), el efecto Casimir dinámico permite que dichas correlaciones cuánticas se transfieran a los cubits. Para dos cubits se puede alcanzar un entrelazamiento máximo (estado tipo Bell).

Dibujo20140526 circuit scheme - lc line for cavities - arxiv

En el análisis físico presentado en el artículo técnico se han modelado las cavidades mediante líneas LC conectadas a los cubits de tipo transmón (transmission line shunted plasma oscillation qubit). Este tipo de cubits superconductores basados en uniones Josephson fueron desarrollados en el año 2007 y son muy robustos ante las fuentes de ruido, alcanzando tiempos de decoherencia de hasta 95 microsegundos. El espejo móvil entre ambas cavidades se ha implementado mediante un dispositivo SQUID acoplado a un sistema resonador a alta frecuencia.

Dibujo20140526 Real and imaginary part of the density matrix for two-qubit system in Bell state - arxiv

Un estado cuántico entre dos sistemas está entrelazado si no es separable. Los estados de Bell son los estadosmáximamente entrelazados. El efecto Casimir dinámico permite generar un estado de Bell entre dos cubits con una fidelidad del 99%.

Dibujo20140526 three-qubit entanglement generation using three coplanar waveguides - arxiv

El entrelazamiento en un sistema formado por muchas partes aparece cuando sus estados no son separables y se llama entrelazamiento multipartito. Para un sistema con tres cubits existen dos clases no equivalentes de estados que no son separables, los estados tipo GHZ (Greenberger-Horne-Zeilinger) y los estados W (Dür-Vidal-Cirac). El nuevo artículo ha logrado el entrelazamiento tripartito de tipo |GHZ> = ( |eee> + |ggg> )/√2, también con gran fidelidad.

El nuevo procedimiento para entrelazar transmones mediante el efecto Casimir dinámico, además de ser un trabajo muy interesante desde el punto de vista básico, promete múltiples aplicaciones en el campo del tratamiento cuántico de información usando cubits superconductores.


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santossantos

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