Investigadores de Harvard demostraron una innovadora forma de proteger la información cuántica

Investigadores de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) demostraron una innovadora forma de proteger la información cuántica utilizando vibraciones mecánicas, específicamente ondas sonoras microscópicas. Este avance, desarrollado en el laboratorio del profesor Marko Loncar, podría facilitar la creación de redes cuánticas compactas integradas en chips y permitir sistemas cuánticos híbridos que combinen diferentes tipos de qubits.

Los hallazgos fueron publicados en la revista Nature Physics. Las pruebas estuvieron lideradas por Eliza Cornell, una reciente graduada de doctorado del laboratorio de Loncar, quien ahora es investigadora postdoctoral en la Boston University, y Zhujing Xu, un ex investigador postdoctoral del grupo de Loncar.

Uso de ondas sonoras para transmitir información cuántica

Una de las estrategias más prometedoras para las redes cuánticas implica el uso del spin de un electrón asociado a impurezas en diamantes para almacenar información cuántica. Los paquetes de vibración mecánica, conocidos como fonones, pueden servir como portadores que trasladan información entre nodos de qubit.

El laboratorio de Loncar ha desempeñado un papel fundamental en la exploración del potencial de estos sistemas, destacando el desarrollo de una estructura llamada cavidad fonónica, que atrapa vibraciones mecánicas para que interactúen de forma más intensa con el spin del electrón dentro de un qubit.

Los fonones pueden ofrecer ventajas significativas sobre la luz, que se utiliza comúnmente para mover información cuántica a través de redes en chip. A la misma frecuencia, los fonones tienen longitudes de onda mucho más cortas que la luz, lo que permite construir componentes más pequeños y compactos.

Además, los fonones interactúan fácilmente con spins de estado sólido y campos electromagnéticos, lo que los convierte en una opción atractiva para tecnologías cuánticas híbridas que integran diferentes tipos de qubits en un mismo sistema.

El desafío de preservar la memoria cuántica

Sin embargo, el uso de fonones presenta un desafío importante: la protección de la memoria cuántica. Los qubits son extremadamente sensibles a las perturbaciones del entorno y deben conservar su estado cuántico el tiempo suficiente para almacenar y procesar información, lo que se conoce como coherencia.

Los investigadores suelen proteger las memorias cuánticas de interferencias ambientales utilizando pulsos de microondas que desacoplan la memoria del ruido circundante. Sin embargo, estas técnicas no son efectivas para qubits ubicados en cavidades fonónicas, lo que ha dificultado lograr una interacción fuerte con los fonones y una memoria cuántica duradera en el mismo dispositivo.

Qubits "vestidos" protegidos por sonido

El equipo de SEAS abordó este problema al demostrar lo que describieron como protección de coherencia totalmente mecánica para un spin de vacante de silicio en diamante. En lugar de depender de pulsos de microondas convencionales, los investigadores aplicaron continuamente un campo mecánico formado por fonones, transformando el qubit en un estado cuántico diferente conocido como qubit "vestido".

El término "vestido" se refiere a que el qubit "lleva" un campo acústico continuo, lo que lo hace menos vulnerable al ruido de baja frecuencia del entorno. Dado que la protección proviene de un campo mecánico continuo compatible con las cavidades fonónicas, la técnica podría operar dentro de las mismas estructuras que eventualmente conectarán nodos estacionarios en redes cuánticas.

Esto otorga a los fonones un papel dual potente: podrían transportar información cuántica entre diferentes partes de una red mientras ayudan a proteger esa información del ruido ambiental.

"Estamos resolviendo dos problemas", afirmó Cornell. "Queremos que el spin tenga una fuerte interacción con los fonones y que tenga un tiempo de coherencia prolongado. Nuestro artículo demuestra un método para extender el tiempo de coherencia que es compatible con el centro de vacante de silicio en una cavidad".

La coherencia cuántica dura aproximadamente tres veces más

Con el nuevo método, los investigadores aumentaron el tiempo de coherencia del spin de vacante de silicio aproximadamente en un factor de tres. Este resultado demuestra que la supresión continua de ruido mecánico puede extender la coherencia cuántica en dispositivos reales, sugiriendo que las ondas sonoras microscópicas podrían convertirse en una herramienta importante para construir sistemas cuánticos más confiables y compactos.

El artículo "Protección de coherencia totalmente mecánica y control rápido de un qubit de spin" fue coautorizado por Zhaoyou Wang, Hana K. Warner, Eliana Mann, Michael Haas, Smarak Maity, Graham Joe, Liang Jiang, Peter Rabl y Benjamin Pingault.

La investigación recibió apoyo federal de EE. UU. de la National Science Foundation bajo el número de subvención EEC-1941583; de la Air Force Office of Scientific Research bajo los números de premio FA9550-23-1-0333 y FA9550-23-1-0338; y de Q-NEXT, un centro de investigación de ciencia cuántica del Departamento de Energía de EE. UU. bajo el número de premio DE-FOA-0002253.

El trabajo se realizó en parte en el Harvard Center for Nanoscale Systems, un miembro de la National Nanotechnology Infrastructure Network, que cuenta con el apoyo de la subvención No. ECS-0335765 de la National Science Foundation.

La Harvard Office of Technology Development está buscando activamente la protección de patentes y oportunidades de comercialización para las innovaciones derivadas de esta investigación.