Los científicos acaban de mostrar cómo las computadoras cuánticas podrían basarse en ondas de sonido

Una extraña y maravillosa variedad de tecnologías compiten para convertirse en el abanderado de la computación cuántica. El último contendiente quiere codificar información cuántica en ondas de sonido.

Una cosa que todas las computadoras cuánticas tienen en común es el hecho de que manipulan información codificada en estados cuánticos. Pero ahí es donde terminan las similitudes, porque esos estados cuánticos pueden inducirse en todo, desde circuitos superconductores hasta iones atrapados, átomos ultraenfriados, fotones e incluso chips de silicio.

Si bien algunos de estos enfoques han atraído más inversiones que otros, todavía estamos muy lejos de que la industria se establezca en una plataforma común. Y en el mundo de la investigación académica, la experimentación aún abunda.

Ahora, un equipo de la Universidad de Chicago ha dado los primeros pasos cruciales para construir una computadora cuántica que pueda codificar información en fonones, las unidades cuánticas fundamentales que forman las ondas de sonido de la misma manera que los fotones forman los haces de luz.

Los principios básicos de cómo podría crear una computadora cuántica "fonónica" son bastante similares a los que se usan en las computadoras cuánticas "fotónicas". Ambos implican generar y detectar partículas individuales, o cuasipartículas, y manipularlas usando divisores de haz y desfasadores. Los fonones son cuasipartículas, porque aunque actúan como partículas en lo que respecta a la mecánica cuántica, en realidad están formados por el comportamiento colectivo de un gran número de átomos.

El grupo de Chicago ya había demostrado que podían generar fonones individuales usando ondas acústicas superficiales, que viajan a lo largo de la superficie de un material a frecuencias aproximadamente un millón de veces más altas de lo que un humano puede escuchar, y las usan para transferir información cuántica entre dos qubits superconductores. .

Pero en un nuevo artículo en Science, los investigadores demuestran el primer divisor de haz fonónico que, como sugiere su nombre, está diseñado para dividir las ondas acústicas. Este componente es un ingrediente fundamental para una computadora cuántica fonónica, ya que permite aprovechar los fenómenos cuánticos como la superposición, el entrelazamiento y la interferencia.

Su configuración involucra dos qubits superconductores fabricados en piezas planas de zafiro, unidos por un canal hecho de niobato de litio. Cada qubit está conectado a través de un acoplador sintonizable a un dispositivo llamado transductor, que convierte las señales eléctricas en señales mecánicas.

Esto se usa para generar vibraciones que crean los fonones individuales en el canal que conecta los qubits, que presenta un divisor de haz hecho de 16 dedos metálicos paralelos en el medio. Toda la configuración se enfría justo por encima del cero absoluto.

Para demostrar las capacidades de su sistema, los investigadores primero excitaron uno de los qubits para que generara un solo fonón. Este viajó a lo largo del canal hasta el divisor de haz, pero debido a que las partículas cuánticas como los fonones son fundamentalmente indivisibles, en lugar de dividirse, pasó a una superposición cuántica.

Esto se refiere a la capacidad de un sistema cuántico de estar en múltiples estados simultáneamente, hasta que se miden y colapsan en una de las posibilidades. En este caso, el fonón se reflejó en el qubit original y se transmitió al segundo qubit, que pudo capturar el fonón y almacenar la superposición cuántica.

En un segundo experimento, los investigadores lograron replicar un fenómeno cuántico que es fundamental para la forma en que se crean las puertas lógicas en las computadoras cuánticas fotónicas llamado efecto Hong-Ou-Mandel. En configuraciones ópticas, esto involucra dos fotones idénticos que se introducen en un divisor de haz desde direcciones opuestas simultáneamente. Ambos entran entonces en una superposición, pero estas salidas interfieren entre sí de tal manera que ambos fotones terminan viajando juntos a uno solo de los detectores.

Los investigadores demostraron que podían replicar este efecto usando fonones y, lo que es más importante, que podían usar los qubits para alterar las características de los fonones para poder controlar en qué dirección viaja la salida. Ese es un primer paso crucial para construir un cuántico práctico. computadora, dice Andrew Cleland, quien dirigió el estudio.

"El éxito del experimento de interferencia de dos fonones es la pieza final que muestra que los fonones son equivalentes a los fotones", dijo Cleland en un comunicado de prensa. "El resultado confirma que tenemos la tecnología que necesitamos para construir una computadora cuántica mecánica lineal".

Los investigadores admiten que es poco probable que el enfoque compita directamente con los enfoques ópticos de la computación cuántica, porque los componentes son mucho más grandes y lentos. Sin embargo, su capacidad para interactuar sin problemas con qubits superconductores podría hacerlos prometedores para esquemas de computación híbrida que combinen lo mejor de ambos mundos.

Es probable que pase mucho tiempo hasta que los componentes subyacentes alcancen la sofisticación y la preparación industrial de otros enfoques cuánticos. Pero parece que la carrera por la ventaja cuántica se ha vuelto un poco más concurrida.

Haber de imagen: BroneArtUlm / Pixabay