Las computadoras cuánticas del futuro podrían operar a través de las transiciones de energía de átomos excitados, o incluso de luz pura, si un área de rápido crecimiento de la física atómica continúa teniendo éxito, escribe Keith Cooper
para los físicos que persiguen el santo grial de la computación cuántica, una receta sabrosa se está extendiendo cada vez más., Espolvorear un puñado de átomos de rubidio es un ingrediente popular – en una cámara de vacío. Tratar con rayos láser para enfriar los átomos a meras fracciones de un grado por encima del cero absoluto. A continuación, añadir un par de fotones y hey presto-has creado uno de los bloques de construcción básicos de una computadora cuántica.
al menos, «esa es la idea básica», dice Mark Saffman, un físico atómico de la Universidad de Wisconsin–Madison en los Estados Unidos. En el Centro de todo esto están los átomos de Rydberg, que tienen un solo electrón de Valencia exterior que puede ser excitado a estados cuánticos superiores. Son los grandes papás del mundo atómico., Típicamente un núcleo atómico es femtométrico en tamaño, pero en un átomo de Rydberg el electrón de Valencia excitado puede viajar micras desde el núcleo mientras permanece unido a él, inflando el radio atómico mil millones de veces en tamaño. Con un alcance tan grande, un átomo de Rydberg puede interactuar con otros átomos cercanos a través de un poderoso momento dipolar eléctrico un millón de veces mejor que los átomos «ordinarios». Es este poder interactivo – y la capacidad de controlarlo con un único fotón cuidadosamente elegido-lo que hace que los átomos de Rydberg sean una fuerza tan potente en el mundo de los sistemas de información cuántica.,
tecnología de puerta de enlace
en el corazón de cualquier computadora – digital o cuántica – están las puertas lógicas. Una computadora cuántica funciona a escala atómica, donde reina la mecánica cuántica, lo que significa que las puertas lógicas también deben construirse a partir de átomos. Una puerta NOT, por ejemplo, tiene una sola entrada y dos Estados, 0 y 1, pero para que la puerta funcione requiere que los átomos no solo interactúen, sino que la interacción esté controlada. La fuerza dipolar eléctrica de los átomos de Rydberg y nuestra capacidad para controlar su excitación los hace perfectos para puertas de lógica cuántica.,
En 2010 Saffman y sus colegas en Wisconsin demostraron la capacidad de construir puertas lógicas utilizando dos átomos de rubidio neutros, complementando el trabajo realizado por un equipo dirigido por Philippe Grangier en el Institut d’Optique cerca de París. La versión cuántica de una puerta NOT es la puerta controlada-no, o CNOT, en la que los átomos de rubidio son los bits cuánticos – o «qubits» – de información. Uno está etiquetado como «control», y el otro como»target»., En su estado fundamental, que cuenta con varios estados hiperfinos que contienen la información cuántica, los átomos no interactúan – las cuatro micras que los separan bien podrían ser una infinidad. Sin embargo, al excitar el átomo de control en el estado de Rydberg disparando un fotón resonante que se absorbe, el electrón de Valencia se eleva a un nivel de energía más alto, extendiendo su alcance lo suficiente como para permitir una interacción con el átomo objetivo, «volteándolo» y permitiendo que la puerta CNOT opere., «Al usar el láser para excitar el átomo de control, podemos activar la interacción y realizar nuestra puerta lógica, antes de devolver los átomos al estado fundamental», dice Saffman.
experimentos anteriores habían utilizado iones para crear puertas CNOT, pero el problema con los iones es que, al estar cargados, no hay una manera fácil de desactivar sus interacciones, lo que limita cuántos se pueden combinar en un qubit estable. Los átomos neutrales de Rydberg, sin embargo, no enfrentan este problema. Eso no quiere decir que los átomos de Rydberg sean un nuevo desarrollo, se conocen desde finales de 1800., Lo que realmente ha estimulado el desarrollo de la física de Rydberg ha sido el advenimiento de la captura y el enfriamiento con láser, por lo que Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji y William Phillips compartieron el Premio Nobel de Física en 1997. Es esta habilidad de los físicos para sostener y manipular átomos individuales usando la luz lo que ha abierto el camino para que los átomos de Rydberg se utilicen en nuevas aplicaciones exóticas.
Starkly shifted
Los láseres se pueden usar para crear una «trampa dipolar óptica» que puede mantener y enfriar átomos hasta un mero microkelvin por encima del cero absoluto, o incluso hasta nanokelvin en algunos casos., Al cruzar los láseres, este método se puede expandir en una red óptica 2D o 3D. Los láseres están sintonizados a un color distinto de la frecuencia resonante del átomo, para evitar que los átomos absorban cualquiera de los fotones (lo que les daría energía para saltar fuera de la trampa). En este punto, entra en juego un fenómeno conocido como el efecto Stark, que es el cambio en los niveles de energía de un átomo en respuesta a un campo eléctrico de corriente alterna, como en el producido por una onda electromagnética. Para los átomos de estado fundamental, los niveles de energía se desplazan a una energía ligeramente inferior., La parte más intensa de los rayos láser, que es donde se cruzan en la red, se convierte en un pozo potencial en el que los átomos quedan atrapados, porque es aquí donde experimentan el mayor cambio y pierden la mayor energía (figura 1).
Una vez atrapados, los átomos pueden ser excitados al Estado de Rydberg disparando un fotón de frecuencia resonante hacia ellos. El problema es que la energía del fotón resonante puede sacudir al átomo fuera de la trampa, por lo que la búsqueda ha estado en busca de «longitudes de onda mágicas» que pueden atrapar y excitar a un átomo al mismo tiempo., En 2015, basándose en casi una década de trabajo de físicos atómicos, un grupo dirigido por el físico Trey Porto en el Joint Quantum Institute de la Universidad de Maryland, Estados Unidos, encontró una frecuencia mágica para los átomos de rubidio que simultáneamente los atrapa en dos estados cuánticos diferentes, que tienen los números cuánticos principales n = 5 y N = 18 (Phys. Apo. Un 91 032518). En otras palabras, pueden ser excitados a un estado Rydberg de 18S, donde el electrón excitado está en el orbital 18s, mientras permanece en la trampa. Esta longitud de onda mágica corresponde a una longitud de onda infrarroja de aproximadamente 1064 nm., Por un simple golpe de suerte, esta es la longitud de onda producida por un láser Nd:Yag, que la mayoría de los físicos usan de todos modos porque proporciona una de las potencias láser más baratas disponibles. Eso es particularmente importante cuando se quiere una gran cantidad de energía sin la quiebra de su departamento de física.
«realmente, hemos sido astutos y elegido un color de luz que atrapa tanto el estado de Rydberg que nos interesa como el estado fundamental», dice la física Elizabeth Goldschmidt, que fue uno de los miembros del equipo de Porto y ahora tiene su sede en el laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos en Maryland.,
aunque el equipo del Porto entusiasmó al rubidium hasta los 18, fue solo un comienzo. Para llegar a números cuánticos más altos, lo que resulta en interacciones más fuertes a través de mayores distancias entre átomos, así como en extender la vida útil pasada en el estado excitado, se necesitan longitudes de onda mágicas cada vez más cortas. Los láseres que emiten estas longitudes de onda más cortas no están tan ampliamente disponibles como los láseres de 1064 nm y, a las frecuencias más altas, pueden llegar a ser prohibitivos. Sin embargo, las longitudes de onda mágicas son un gran avance para físicos como Saffman., «Atrapa átomos individuales y hace que interactúen en puertas, por lo que se preocupa más por encontrar sus longitudes de onda mágicas», dice Goldschmidt.
hasta ahora todo bien, pero las longitudes de onda mágicas y la excitación de Rydberg no son suficientes por sí solas para hacer una computadora cuántica. Lo que falta es el aspecto cuántico que permite que un qubit exista en muchos estados a la vez, a diferencia de los bits binarios que solo pueden estar en uno de dos Estados. En la física de Rydberg, este aspecto cuántico se proporciona a través del entrelazamiento.,
«el entrelazamiento es la parte que te da algo más de lo que puedes hacer con una computadora clásica», explica Charles Adams, físico del Joint Quantum Centre de la Universidad de Durham en el Reino Unido. El enredo es producido por la interacción de los átomos de Rydberg con otros átomos no excitados alrededor de ellos. En esencia, la puerta Cnot de Saffman es una máquina de entrelazamiento y la eficiencia de la puerta depende de la «fidelidad» del entrelazamiento, que se define como la cantidad de cálculos exitosos que la puerta lógica enredada logra en comparación con el número total de intentos.,
ejecutar el bloqueo
Cuando los átomos son los qubits, el papel del fotón es simplemente excitar a los átomos en sus Estados Rydberg. Sin embargo, Adams, entre otros, ha estado persiguiendo un premio ligeramente diferente: un ordenador cuántico hecho de luz.
en tal dispositivo, en lugar de que los átomos sean los qubits, los fotones actuarían como los qubits en su lugar. Inmediatamente hay un potencial showstopper. Los fotones, al ser partículas sin masa, no interactúan entre sí y, por lo general, no pueden crear puertas lógicas., Expóngalos a los átomos de Rydberg, sin embargo, y el juego cambia, permitiendo a los físicos crear Estados fotónicos exóticos e incluso «moléculas» de luz.
todo es posible gracias a la naturaleza cliquey de los átomos de Rydberg. Reúne un puñado de átomos de rubidio (o estroncio, cesio, sodio o lo que sea tu átomo neutro favorito), enfríalos y envía un fotón. Uno de los átomos se excita al Estado de Rydberg e interactúa con los otros átomos a su alrededor, cambiando sus niveles de energía., Así que cuando un segundo fotón, idéntico, es enviado a este «conjunto Rydberg», encuentra que de repente está fuera de sintonía con su frecuencia resonante y no puede excitarlos. En esencia, los átomos de Rydberg pusieron un «bloqueo» a la creación de otros átomos de Rydberg a partir de un segundo fotón dentro de un volumen de quizás 10 µm de diámetro.
para el segundo fotón, sin embargo, eso es una buena noticia., «Significa que el segundo fotón ve una respuesta óptica diferente al medio – efectivamente puede ver un índice de refracción diferente – por lo que el comportamiento del medio al segundo fotón es muy diferente del primero», dice Adams. Mientras los dos fotones sean de la misma frecuencia, la nube de rubidio se vuelve transparente al segundo fotón, un efecto llamado «transparencia inducida electromagnéticamente»., Normalmente el segundo fotón correría por delante, pero el índice de refracción de la nube de rubidio se altera de tal manera que el segundo fotón permanece cerca del conjunto de Rydberg excitado por el primer fotón.
a medida que los átomos excitados por el primer fotón regresan al estado fundamental después de unos pocos microsegundos, entonces no solo puede el primer fotón continuar en su camino, sino que el segundo fotón también es libre de formar su propio conjunto Rydberg, poniendo un bloqueo en el primer fotón., De esta manera, los dos fotones se empujan y tiran entre sí a través de la nube de rubidio a unos 400 m/s, hasta que emergen juntos, cuánticos enredados y aparentemente Unidos como una molécula.
en esta situación, los fotones y los átomos de Rydberg se acoplan fuertemente, dice Mikhail Lukin de la Universidad de Harvard, Estados Unidos., Co-creó la técnica de bloqueo en átomos fríos en 2001 junto con sus colegas Robin Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac y Peter Zoller, y también fue el PRIMERO en usar bloqueos para crear estas moléculas de luz mejoradas por Rydberg en 2012 junto con Vladan Vuletić del Instituto de tecnología de Massachusetts, EE.
«El acoplamiento significa que esencialmente forman una nueva cuasi-partícula llamada polariton, que es parte luz y parte átomos», explica Lukin., La mitad atómica del polaritón actúa como un freno para los fotones, por lo que cuanto mayor es la excitación atómica, más lenta es la velocidad de propagación de los fotones a través del rubidio. Lukin y Vuletić están ahora trabajando en repetir el experimento con más de dos fotones.
estas interacciones fotón–fotón son fundamentalmente diferentes de cómo actúa normalmente la luz y abren la puerta para usar fotones enredados como circuitos de computadoras cuánticas. Pero las puertas de la lógica atómica todavía no están fuera de escena, dice Goldschmidt., Ella piensa que las puertas lógicas ópticas de los fotones que interactúan se aplicarían mejor a las simulaciones cuánticas en lugar de la computación cuántica per se.
un simulador cuántico, como su nombre indica, simula sistemas complejos en lugar de calcularlos. En esencia, es una versión cuántica de una simulación computarizada de muchos cuerpos y estaría diseñada para abordar problemas específicos., «En una simulación cuántica tienes interacciones entre los muchos cuerpos de tu sistema cuántico y así puedes simular algún otro sistema cuántico de muchos cuerpos sin intentar implementar código con puertas específicas», dice Goldschmidt.
dispositivos de Escritorio
Los investigadores que trabajan en la física de Rydberg tienen un objetivo principal, independientemente de si los átomos de Rydberg en sí mismos serán los circuitos de los sistemas de información cuántica, o si los fotones facilitados por los átomos de Rydberg toman ese papel., Su objetivo es impulsar la manipulación de mayor fidelidad de estas puertas lógicas para aumentar la calidad de su salida y proporcionar correcciones de errores internos. La mejor manera de avanzar, visualiza Lukin, es un sistema híbrido, en el que los átomos de Rydberg y las interacciones de fotones están involucrados en el procesamiento de la información.
«Lo interesante de nuestro enfoque es que nos permite utilizar lo mejor de ambos mundos», dice. «Para la computación, es posible que desee almacenar qubits utilizando átomos, pero para comunicarse entre los qubits almacenados, en realidad le gustaría usar fotones.,»
Adams va aún más allá, especulando cómo las computadoras cuánticas y los simuladores podrían algún día convertirse en máquinas de escritorio, no enfriando sus átomos a temperaturas increíblemente frías, lo que implica grandes aparatos y mucha potencia, sino operando a temperatura ambiente. Adams y sus colegas de Durham han llevado a cabo experimentos con átomos de Rydberg en vapores «calientes» de hasta 50 °C, pero el problema es el movimiento browniano que se produce en los átomos cálidos y energéticos., Dado que los fotones se almacenan dentro del medio como una onda, este movimiento destruye la información de fase, lo que significa que el qubit fotónico no se puede recuperar. Aún así, si este y otros desafíos pueden ser superados, entonces Adams sugiere que puede ser posible construir una computadora cuántica en la que los fotones almacenados en burbujas virtuales impuestas por el proceso de bloqueo de Rydberg median una interacción que forma una puerta óptica. «Pero todavía estamos lejos de saber cómo hacer este tipo de circuito integrado totalmente óptico», dice.
Rydberg physics no es el único juego en la ciudad cuando se trata de computadoras cuánticas., Los iones atrapados, los superconductores, los diamantes y los condensados de Bose–Einstein, entre otros, son competidores de la corona cuántica. Pero los átomos de Rydberg también tienen otros usos. Por ejemplo, al elegir un conjunto Rydberg a una frecuencia resonante específica, digamos terahercios o microondas, podría actuar como un sensor sofisticado, produciendo una salida óptica cuando capta esos campos., Las interacciones fotón-fotón forzadas por los bloqueos de Rydberg podrían incluso conducir a Estados exóticos de luz que se consideran cristalinos o líquidos, donde las interacciones mantienen a los fotones juntos en algo que podría parecer un sable de luz.
«La física de Rydberg ha crecido en impulso a lo largo de la última década», dice Adams. «Hay grupos en casi todas partes que ahora están haciendo algún aspecto de esto.»Es notable lo que la física de Rydberg podría lograr, considerando que los ingredientes son algunas de las cosas más simples en el universo: átomos y fotones.,
- Journal of Physics B, de IOP Publishing-que también publica Physics World-está lanzando actualmente un número de enfoque sobre «Rydberg atomic physics»
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