Los físicos acaban de alcanzar un nuevo límite de velocidad para mover información cuántica

Progreso científico hacia una computación cuántica el futuro ha involucrado hasta ahora muchos diferentes avances en muchos campos diferentes (pero relacionados), y ahora hay uno nuevo para informar: el descubrimiento de un límite de velocidad cuántico crucial.

Esta última investigación responde a una pregunta fundamental: ¿qué tan rápido puede ser un proceso cuántico? Es una información útil para saber si desea crear un computadora cuántica o una red cuántica, ya que le indica algunas de las limitaciones inherentes al sistema.

Afortunadamente para aquellos de nosotros que no somos físicos cuánticos, el equipo detrás del nuevo estudio ha proporcionado una analogía más fácil de entender que involucra a un hábil camarero corriendo con una bandeja de bebidas. ¿Qué tan rápido puede el camarero distribuir todas las bebidas sin derramar nada del líquido?

Resulta que la respuesta es acelerar y reducir la velocidad con cuidado en ciertos puntos, inclinando los vasos de líquido cuando sea necesario para evitar derrames; solo que aquí los científicos usaron átomos de cesio enfriados en lugar de champán, y una trampa óptica creada por dos rayos láser como la ‘bandeja de bebidas’.

Qué trampa … conocido como celosía óptica – se forma cuando dos rayos láser se apuntan con precisión el uno al otro (los físicos llaman a esto contrapropagación), lo que resulta en una interferencia bien definida que tiene la forma de un montón de picos y valles.

Para el transporte, los átomos se colocaron en estos valles y la red bidimensional se puso en movimiento, de manera similar a una cinta transportadora. El objetivo de la investigación fue determinar qué tan rápido se podría mover esta configuración sin ninguna interrupción de los átomos.

“Cargamos el átomo en uno de estos valles y luego pusimos en movimiento la onda estacionaria; esto desplazó la posición del valle en sí”. dice el físico Andrea Alberti, de la Universidad de Bonn en Alemania.

“Nuestro objetivo era llevar el átomo a la ubicación objetivo en el menor tiempo posible sin que se derrame fuera del valle, por así decirlo”.

La configuración aborda las limitaciones físicas de obtener información cuántica de un lugar a otro, completamente intacta. Moverlo lo más rápido posible ayuda a protegerse contra interferencias externas, pero si va demasiado rápido, se pueden perder datos clave (en otras palabras, terminará con champán en el suelo).

Lo que los científicos encontraron fue que se requerían aceleraciones y desaceleraciones cuidadosamente calibradas para alcanzar el límite de velocidad general óptimo para transferir datos cuánticos, en lugar de mantener una velocidad constante en todo momento.

Es la primera vez que se miden de esta manera transferencias más complejas, en las que los sistemas deben pasar por varios estados cuánticos a lo largo del viaje. Los límites de velocidad cuántica para estados más simples tienen ya ha sido establecido.

El límite de Mandelstam-Tamm para estados más simples, llamado así por los físicos que lo descubrieron, no se aplica aquí. Sin embargo, lo que sí hizo fue dar a los investigadores un punto de partida: la idea de que la incertidumbre energética (cuán “libres” son las partículas para moverse entre estados de energía) es crucial para la velocidad máxima de una transferencia.

Para escenarios más complicados a distancias mayores, la incertidumbre energética juega parte de un papel junto con el número de estados intermedios que las partículas deben atravesar para llegar con éxito a su destino sin interferencias. En última instancia, los sistemas cuánticos más complejos tienen un límite de velocidad más bajo.

Ahora que conocemos la velocidad más rápida a la que los átomos se pueden mover de un lugar a otro sin perder su estado original (17 milímetros por segundo en una distancia de 0,5 micrómetros en este estudio) sabemos qué tan rápido podríamos impulsar transferencias similares dentro de los sistemas informáticos cuánticos.

Uno de los principales problemas con los estados cuánticos es su fragilidad o su corto tiempo de coherencia: cuánto tiempo pueden permanecer estables. Esta nueva investigación nos acerca a comprender cómo podemos aprovechar al máximo ese tiempo.

“Nuestro estudio revela el número máximo de operaciones que podemos realizar en el tiempo de coherencia”, dice Alberti. “Esto permite hacer un uso óptimo de la misma”.

La investigación ha sido publicada en Revisión física X.

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