Utilizando campos magnéticos altos, Susumu Takahashi, profesor asistente de la Universidad del Sur de California, y sus colegas lograron suprimir la decoherencia, uno de los principales obstáculos en la computación cuántica.

Las computadoras cuánticas aprovechan las propiedades alucinantes de las partículas cuánticas para realizar cálculos complejos que son imposibles para los ordenadores tradicionales de hoy.

La computación cuántica utiliza bits cuánticos o qubits, para codificar la información en forma de unos y ceros. A diferencia de un equipo tradicional que utiliza bits tradicionales, un ordenador cuántico aprovecha el hecho aparentemente imposible de que los qubits pueden existir en varios estados al mismo tiempo, lo que se conoce como “superposición”.

Mientras que un bit puede representar un uno o un cero, un qubit puede representar un uno y un cero a la vez debido a la superposición. Esto permite el procesamiento simultáneo de los cálculos en un verdadero sistema paralelo, aumentando la capacidad de computación.

Aunque los conceptos que sustentan la computación cuántica no son nuevos, problemas como la decoherencia han impedido la construcción de un ordenador cuántico plenamente funcional.

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Una regla general en el procesamiento de datos es que las perturbaciones causan la distorsión o la supresión de la información durante el almacenamiento o transferencia de datos. Los métodos para ordenadores convencionales que se han desarrollado detectan de forma automática y corrigen errores: los datos se procesan en varias ocasiones y si se producen errores, se elige la opción correcta más probable.

Como los sistemas cuánticos son más sensibles a las perturbaciones ambientales que los sistemas clásicos, un ordenador cuántico requiere un algoritmo muy eficaz para la corrección de errores. El grupo de investigación ha demostrado ahora tal algoritmo de forma experimental. “La dificultad se plantea porque no se puede copiar información cuántica,” explica Schindler. “Esto significa que no podemos guardar información repetidamente y, a continuación, compararla.” Por lo tanto, los físicos utilizan una de las particularidades de la física cuántica y el entrelazamiento cuántico mecánico para realizar la corrección de errores.

Los físicos de Innsbruck demuestran el mecanismo almacenando tres iones de calcio en una trampa de iones. Las tres partículas se utilizan como bits cuánticos (qubits), donde un ion representa el qubit del sistema y los otros dos iones qubits auxiliares. “Primero entrelazamos el qubit del sistema con los otros qubits, que transfiere la información cuántica a todas las tres partículas,” dice Philipp Schindler. “Entonces un algoritmo cuántico determina si se produce un error y si es así, cuál. Posteriormente, el propio algoritmo corrige el error.”

Después de haber hecho la corrección, los qubits auxiliares se restablecen con un rayo láser. “Este último punto es el nuevo elemento en nuestro experimento, que permite la corrección de errores repetidamente,” dice Rainer Blatt. “Hace algunos años, colegas americanos demostraron el funcionamiento general de corrección de errores cuánticos. Nuestro nuevo mecanismo nos permite corregir errores repetida y eficientemente.”

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Las computadoras cuánticas del futuro podrían usar fotones, o partículas de luz, para mover los datos que necesitan para hacer cálculos, pero los fotones son difíciles de trabajar. Dos nuevos documentos de investigadores que trabajan en el NIST han acercado la ciencia a la creación de fuentes fiables de fotones para estos dispositivos anunciados por mucho tiempo.

En principio, las computadoras cuánticas pueden realizar cálculos que son imposible o poco práctico utilizando equipos convencionales, aprovechando las ventajas de las normas peculiares de la mecánica cuántica. Para hacer esto, tienen que actuar sobre cosas que pueden ser manipuladas en estados cuánticos específicos. Los fotones se encuentran entre los principales contendientes.

Los nuevos documentos del NIST se dirigen a uno de los muchos desafíos de una computadora cuántica práctica: la necesidad de un dispositivo que produce fotones en cantidades disponibles, pero sólo uno a la vez, y sólo cuando el procesador del PC está preparado para recibirlos. Al igual que los datos confusos confunden un PC estándar, un fotón que transporta información que entra en un procesador cuántico con otras partículas, o cuando el procesador no se lo espere, puede arruinar un cálculo.

La fuente de un solo fotón ha sido esquiva durante casi dos décadas, en parte porque ningún método de producir estas partículas individualmente es ideal. El primer documento del equipo aborda la necesidad de tener la certeza que un fotón de hecho viene cuando el procesador lo espera, y que ninguno aparece de forma inesperada.

Muchos tipos de fuentes de un solo fotón crea un par de fotones y envían a uno de ellos a un detector, que informa al procesador el hecho de que el segundo fotón, que transporta la información está en camino. Pero como los detectores no son del todo precisos, a veces se pierde el fotón “precursor”, y su gemelo entra en el procesador, dañando el trabajo.

Los investigadores manejan la cuestión mediante la creación de una simple puerta en la fuente. Cuando un fotón precursor alcanza el detector, se abrirá la puerta, permitiendo pasar al segundo fotón.

En un segundo documento, el equipo del NIST describe una fuente de fotones para hacer frente a otros dos requisitos. Las computadoras cuánticas tendrán muchas de esas fuentes trabajando en paralelo, por lo que las fuentes deben ser capaces de ser construidas en grandes cantidades y operar con fiabilidad; y de modo que la computadora pueda distinguir los fotones, las fuentes deben crear fotones individuales múltiples, pero todos en longitudes de onda diferentes. El equipo describe un método para crear una fuente de ese tipo de silicio, que ha sido bien entendido por la industria electrónica durante décadas como el material del que se construyen chips de computadora estándar.

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Científicos en el Instituto Kavli de Nanociencia en la Universidad Técnica de Delft y la Universidad Técnica de Eindhoven han tenido éxito en el control de los componentes básicos de una futura supercomputadora cuántica muy rápida. Ahora son capaces de manipular estos componentes básicos (qubits) con eléctrica, en lugar de campos magnéticos, como ha sido la práctica común hasta ahora. También han sido capaces de incorporar estos qubits en nanocables semiconductores.

Un qubit es el componente básico de una posible computadora cuántica futura, que superaría por mucho a los equipos actuales en términos de velocidad. Una forma de hacer un qubit es atrapar un solo electrón en material semiconductor. Un qubit puede, al igual que un bit de un equipo normal, adoptar los estados ‘0′ y ‘1′. Esto se logra utilizando el espín de un electrón, que se genera por girar el electrón sobre su eje. El electrón puede girar en dos direcciones (que representa el estado ‘0′ y el estado ‘1′).

Hasta ahora, el espín de un electrón ha sido controlado por campos magnéticos. Sin embargo, estos campos resultan extremadamente difíciles de generar en un chip. El espín del electrón en los qubits que están siendo generados por los científicos holandeses puede ser controlado por una carga o un campo eléctrico, en lugar de por los campos magnéticos.

Esta forma de control tiene grandes ventajas, como Leo Kouwenhoven, científico en el Instituto Kavli de Nanociencia en TU Delft, señala. “Estos qubits espín-órbita combinan lo mejor de ambos mundos. Emplean las ventajas de control electrónico y almacenamiento de información en el espín de electrón,” dice.

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Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos han demostrado por primera vez la conversión de fotones individuales de 1300 nm de longitud (infrarrojo cercano) emitidos por una verdadera fuente cuántica, un punto cuántico de semiconductor, con una longitud de onda de 710 nm.

La capacidad para cambiar el color de los fotones individuales puede ayudar en el desarrollo de sistemas cuánticos híbridos para aplicaciones en comunicación cuántica, computación y metrología.

Dos recursos importantes para el procesamiento de la información cuántica son la transmisión de datos codificados en el estado cuántico de un fotón y su almacenamiento en los estados internos de larga duración de sistemas como átomos atrapados, iones o conjuntos de estado sólido. Idealmente, uno imagina a dispositivos que son buenos tanto en generar como almacenar fotones.

Sin embargo, este es un reto en la práctica, ya que mientras las memorias típicas cuánticos son adecuadas para absorber y almacenar fotones cercanos a lo visible, la transmisión se realiza mejor en longitudes de onda del infrarrojo cercano, donde la pérdida de información en fibras ópticas de telecomunicaciones es baja.

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