En los últimos años los avances en la tecnología cuántica de átomos neutros atrapados en pinzas magnetoópticas han sido enormes. Estos avances podrían darle el Premio Nobel de Física a Zoller, con Jaksch y Lukin, por su trabajo teórico en 2000 (que firmó Cirac, pero cuyo rol fue marginal). Para algunos divulgadores los cúbits con átomos neutros son los mejores a día de hoy (Quanta Magazine, 25 Mar 2024). Se acaba de publicar en Nature, aunque apareció en arXiv en marzo de 2024, el diseño de unas pinzas ópticas para almacenar en 11998 sitios más de 6100 átomos neutros de cesio-133 en estado cuántico coherente durante 12.6(1) segundos, con una fidelidad para puertas unarias del 99.9834(2) %. Se opera a tempratura ambiente, pero para mantener los átomos atrapados se aplican procesos de enfriamiento (PGC 2D), cada uno durante 10 ms y separados 2 s, logrando un tiempo de vida 1/e (limitado por vacío) de τ = 22.9(1) min; así se logra una probabilidad de supervivencia del 99.98952(1) % y una fidelidad de las imágenes de la matriz de átomos del 99.99374(8) %. Además, se logra el transporte coherente de átomos en distancias de hasta 610 μm con una fidelidad del 99.95 % y transferencias de átomos entre pinzas fijas (trampas estáticas) y móviles (dinámicas) con una fidelidad del 99.81 %. Todos estos resultados nos acercan a un futuro ordenador cuántico con 6000 cúbits atómicos, aunque se propone separarlos cúbits en tres zonas, llamadas de almacenamiento, interacción y lectura; además, si se usan algoritmos de corrección de errores habrá una reducción adicional en el número de cúbits lógicos. En cualquier caso, se trata de un gran avance en la tecnología cuántica de átomos neutros.

La pinza óptica usa láseres infrarrojos de 1055 nm y 1061 nm para atrapar los átomos de cesio-133. Se codifican los cúbits mediante dos niveles hiperfinos del estado fundamental 6S_1/2, en concreto, ∣F=3, m_F=0⟩ ≡ ∣0⟩ y ∣F=4, m_F=0⟩ ≡ ∣1⟩. Se usan estos estados porque tienen tiempos de coherencia muy largos, de hecho, también se usan en relojes atómicos de cesio-133; para el control de los cúbits (puertas lógicas, operaciones XY16, etc.) se usan microondas a la frecuencia hiperfina del Cs-133, unos 9.19 GHz (se generan a 4.6 GHz y se duplican). Para la lectura del est¡ado se usa la transición ∣6S_1/2, F=4⟩ ↔ ∣6P_3/2, F′=5⟩. Los átomos atrapados se distribuyen en una región circular con un radio de 900 μm, con una distancia interatómica mínima de 7.2 μm. La profundidad media de la trampa óptica (en unidades de energía) es de k_B × 0.18(2) mK (unos 15 neV, nanoelectrónvoltios), con una desviación estándar del 11.4 %. Para cargar los átomos en la pinza primero se enfrían por gradiente de polarización en 2D (2D PGC, por Polarization Gradient Cooling), la misma técnica usada pra mantenerlos en la trampa. Sin PGC, el tiempo de vida 1/e es de τ = 2.2 min, PGC continuo es de 17.7 min y con PGC pulsado se alcanzan los 22.9 min. Se estima que la probabilidad de que un átomo ocupe un sitio en la trampa es del 51.2 % con una desviación estándar del 3.4 %. Para obtener las imágenes de los átomos se usa una cámara CMOS cuantitativa (qC-MOS) de alta fidelidad.

Sin lugar a dudas se trata de un gran trabajo de investigación, que ya tiene varias secuelas en el último año (de hecho, el artículo en arXiv ha sido citado más de 170 veces, citas que pasarán de forma automática el artículo de Nature). Los avances en la tecnología de átomos neutros atrapados parecen imparables. El artículo es Hannah J. Manetsch, Gyohei Nomura, …, Manuel Endres, «A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits,» Nature (24 Sep 2025), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4, arXiv:2403.12021 [quant-ph] (18 Mar 2024).

Esta figura ilustra (arriba) el esquema experimental, así como el histograma del número de sitios ocupados por átomos en la trampa y algunos datos numéricos. Ya he comentaod en los párrafos anteriores algunos de estos datos, pero para más información se puede consultar el artículo.

Esta figura ilustra el aparato experimental, así los estados electrónicos del cesio-133 y sus transiciones usadas. Hay muchos detalles técnicos en el artículo cuyo discusión solo interesará a quienes puedan leerlos de primera mano. Transformar estos sistemas de trampas de átomos neutros en un ordenador cuántico universal no es fácil, pero tampoco parece imposible. Con seguridad, antes de lograrlo, se usará esta tecnología para hacer simulaciones cuánticas (por ejemplo, estudiar fases de la materia con miles de cúbits preparados en un estado inicial). Además de las aplicaciones en ciencia básica, se ha propuesto su en metrología, en particular, en el campo de los relojes ópticos. Como siempre, lo que se publican son prototipos, aún muy alejados de las aplicaciones prácticas.