Un 'baño cuántico' facilita el entrelazamiento cuántico de manera automática

El futuro de las computadoras cuánticas podría depender de la capacidad de conectar módulos separados a través del entrelazamiento distribuido. Hasta ahora, crear este tipo de conexión requería un control activo y mediciones repetidas. Sin embargo, un equipo de físicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) demostró un enfoque completamente autónomo basado en un "baño cuántico" formado por partículas de luz correlacionadas.

Este experimento, publicado en Physical Review X, representa la primera demostración de una predicción formulada hace más de 20 años. Este enfoque podría ofrecer una nueva base para las tecnologías cuánticas prácticas.

Conectando Qubits Distantes

El entrelazamiento es uno de los fenómenos más destacados de la física cuántica, permitiendo que partículas o sistemas compartan correlaciones que no pueden explicarse mediante la física clásica. Establecer un entrelazamiento distribuido entre qubits físicamente separados podría ser esencial para construir computadoras cuánticas más grandes y redes cuánticas futuras.

Los intentos previos de entrelazar qubits distantes generalmente siguieron una de dos estrategias. Una de ellas envía un solo fotón controlado activamente de un qubit a otro, mientras que la otra hace que cada qubit emita un fotón, con la esperanza de generar entrelazamiento al emparejarlos.

El segundo enfoque fue reconocido por el Premio Nobel de Física 2022. Sin embargo, este método todavía depende de mediciones repetidas y post-selección, y no siempre produce entrelazamiento con éxito.

El estudiante de doctorado Alejandro Andrés-Juanes y el profesor Johannes Fink en el ISTA, junto con colaboradores internacionales, desarrollaron una solución diferente. Su sistema utiliza un baño cuántico que sincroniza automáticamente qubits distantes. En un dispositivo prototipo, los investigadores emplearon una fuente compartida de partículas de luz correlacionadas para entrelazar dos qubits separados, realizando experimentalmente una idea que había permanecido teórica durante más de dos décadas.

Entrelazamiento Cuántico Totalmente Autónomo

El entrelazamiento cuántico puede adoptar varias formas. Los estados entrelazados de variables continuas se producen de manera eficiente y son relativamente accesibles, comparables a un péndulo cuya posición y momento cambian de forma continua.

No obstante, muchas tecnologías cuánticas útiles dependen de sistemas de "variables discretas", que implican formas de entrelazamiento de "todo o nada" que los qubits estacionarios pueden utilizar. El desafío para el equipo del ISTA fue encontrar una forma de conectar estas formas de entrelazamiento continuas, que son fácilmente accesibles, con las formas discretas necesarias para aplicaciones prácticas.

"En este trabajo, buscamos superar esta discrepancia entre las formas de entrelazamiento fácilmente disponibles y las útiles en la práctica", expresó Andrés-Juanes. "Al estabilizar los estados entrelazados de manera remota, nuestro enfoque es totalmente autónomo y no requiere control activo ni mediciones".

Un Baño Cuántico Impulsado por Luz Correlacionada

Uno de los principales problemas que enfrentan las computadoras cuánticas es mantener el entrelazamiento y la coherencia cuántica.

Los investigadores abordaron este problema haciendo que el entorno que rodea a los qubits sea responsable de producir y estabilizar el entrelazamiento.

"En nuestro método, el baño cuántico, que es el entorno de los qubits, es la fuente de entrelazamiento. Crea un nuevo estado fundamental a través de un flujo continuo de fotones correlacionados", explicó Fink. "De este modo, el estado entrelazado de los qubits se estabiliza, incluso más allá de la 'vida útil' de los qubits, y siempre permanece disponible como un recurso para el procesamiento cuántico adicional. Esto hace que el enfoque sea conceptualmente significativo".

Dado que el estado entrelazado permanece disponible, los investigadores pueden acceder a él cuando sea necesario, a diferencia del entrelazamiento temporal, que debe utilizarse durante el breve período en que existe.

Fotones de Microondas Mantienen Conectados a los Qubits

Para acoplar los qubits con la fuente de fotones entrelazados, los investigadores utilizaron fotones de microondas. Estas partículas de luz de baja energía son especialmente útiles para manipular información cuántica y son centrales en la tecnología de qubits superconductores. Por otro lado, los fotones ópticos cumplen un rol diferente y son comúnmente utilizados en óptica y física atómica. También pueden ser importantes para transportar información cuántica entre computadoras cuánticas distantes a través de fibra óptica, un área que el grupo de Fink en el ISTA también está investigando.

Medición del Estado Cuántico Oculto

Los investigadores necesitaban confirmar que los dos qubits estaban realmente sincronizados dentro del baño cuántico. Para ello, utilizaron la tomografía cuántica, una técnica que reconstruye un sistema cuántico examinando diferentes "rebanadas" de su comportamiento.

"Los qubits pueden estar en una superposición de estados, pero todos estos estados colapsan cuando los medimos, dejándonos con un estado de 0 o 1", comentó Andrés-Juanes.

La tomografía cuántica permitió a los investigadores realizar mediciones que duraron solo 20 a 80 nanosegundos y usar esas observaciones para investigar los estados subyacentes de los qubits. Un nanosegundo es una milmillonésima parte de un segundo.

Una Predicción de Hace 20 Años Se Convierte en Experimento

Al entrelazar con éxito dos qubits aislados a través de un baño cuántico, los investigadores del ISTA crearon un prototipo de laboratorio que prueba la propuesta teórica de larga data.

"Presentamos un método relativamente simple que podría escalarse para sincronizar múltiples qubits distantes", concluyó Andrés-Juanes.

El nuevo enfoque es prometedor, pero aún no es tan eficiente como los métodos que controlan activamente los estados de los qubits. "Nuestro método actualmente transfiere alrededor del 10% del entrelazamiento disponible del baño".

Los investigadores sugirieron que una razón por la que la idea tardó más de dos décadas en demostrarse es que la teoría original se desarrolló bajo condiciones idealizadas que son difíciles de reproducir experimentalmente.

"Nuestros experimentos ayudaron a revelar varios factores que pueden haber impedido a los científicos diseñar un baño cuántico funcional utilizando una sola fuente de fotones correlacionados para el entrelazamiento distribuido", expresó Fink.

El prototipo desarrollado en el ISTA podría ofrecer nuevas oportunidades para experimentos en óptica cuántica. También podría contribuir a esfuerzos para expandir los procesadores cuánticos y, en última instancia, acercarlos a una operación tolerante a fallos.