Avance en ordenadores cuánticos: Primera memoria de un solo átomo

Actualmente, es difícil que una tarjeta de memoria de datos pueda  ser más pequeña: sin embargo, un grupo de  investigadores que trabaja con Gerhard Rempe en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching ha almacenado la información cuántica en un solo átomo. Los investigadores escribieron el estado cuántico de los fotones individuales, es decir, partículas de luz, en un átomo de rubidio y fueron capaces de leerlo después. Esta técnica puede ser utilizada, en principio, para el diseño de potentes ordenadores cuánticos que trabajen en red a distancias grandes.

Los ordenadores cuánticos algún día serán capaces en una décima de segundo de realizar tareas de cómputo que las computadoras actuales tardarían años.Este nuevo tipo de ordenadores tomarán su enorme potencia de cálculo de su capacidad de procesar simultáneamente las diversas piezas de información que se almacenan en el estado cuántico de los sistemas físicos microscópicos, como átomos o fotones. Con el fin de ser capaces de operar, las computadoras cuánticas deben intercambiar estas piezas de información entre sus componentes individuales. Los fotones son especialmente adecuados para ello. Las partículas de materia sin embargo,  se utilizarán para el almacenamiento y procesamiento de información. Los investigadores están buscando métodos por el que se pueda intercambiar información cuántica entre fotones y materia. Aunque esto ya se ha hecho con conjuntos de muchos miles de átomos, los físicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching han demostrado que la información cuántica también se pueden intercambiar entre átomos y fotones en una forma controlada.

El uso de un solo átomo como una unidad de almacenamiento tiene varias ventajas -la miniaturización extrema es solo una de ellas, dice Holger Specht de la Garching-Instituto Max Planck, quien estuvo involucrado en el experimento. La información almacenada puede ser procesado por la manipulación directa en el átomo, lo cual es importante para la ejecución de operaciones lógicas en una computadora cuántica. “Además, ofrece la oportunidad de comprobar si la información cuántica almacenada en el fotón se ha escrito correctamente en el átomo sin destruir su estado cuántico”, dice Specht. Por tanto, es posible determinar en una fase temprana de un proceso de cálculo si debe repetirse debido a un error de almacenamiento.

El hecho de que nadie había logrado hasta hace muy poco el intercambio de información cuántica entre  fotones y átomos individuales se debe a que la interacción entre partículas de luz y  átomos es muy débil. El átomo y el fotón no se tienen muy en cuenta, por así decirlo, como dos invitados a una fiesta que apenas hablan entre sí, y por lo tanto puede intercambiar sólo un poco de información. Los investigadores en Garching han mejorado la interacción con un truco. Colocaron un átomo de rubidio entre los espejos de un resonador óptico, y luego utilizaron pulsos láser muy débiles para introducir fotones individuales en el resonador. Los espejos del resonador reflejan los fotones y varias veces su trayectoria, lo que mejora notablemente la interacción entre fotones y átomos. Siguiendo con el ejemplo anterior,  los invitados a la fiesta incrementan las oportunidades de hablar entre sí. 

Los fotones llevaron la información cuántica en  forma de su polarización. Esto puede ser zurdo (la dirección de la rotación del campo eléctrico es a la izquierda) o la derecha (sentido horario). El estado cuántico del fotón puede contener ambas polarizaciones simultáneamente como un estado llamado de superposición. En la interacción con los fotones del átomo de rubidio, este suele ser excitado, para perder posteriormente esa excitación por medio de la emisión de un fotón probabilístico más. Los investigadores no quería que esto sucediera. Por el contrario, la absorción de los fotones fue para lograr que el  átomo de rubidio se mantuviera en un estado  estable a nivel cuántico. Los investigadores lo lograron gracias a la ayuda de un haz láser adicional, el láser de control de llamada, que se enfoca sobre el átomo de rubidio al mismo tiempo que interactuó con el fotón.

La orientación del espín del átomo contribuye decisivamente al estado cuántico estable generado por el láser de control y el fotón. El espín da el átomo un momento magnético. El estado cuántico estable, lo que los investigadores utilizan para el almacenamiento, por lo tanto es determinado por la orientación del momento magnético. El estado se caracteriza por el hecho de que refleja el estado de polarización del fotón: la dirección del momento magnético corresponde a la dirección de rotación de la polarización del fotón, una mezcla de ambas direcciones de rotación son almacenados por una mezcla correspondiente de  momentos magnéticos.

Este estado es leído por el proceso inverso: la irradiación del átomo de rubidio con el láser de control de nuevo, hace que vuelva a emitir el fotón, que fue originalmente incidido en él. En la gran mayoría de los casos, la información cuántica de los fotones de lectura estaba de acuerdo con la información almacenada originalmente, como los físicos descubrieron en Garching. La cantidad que describe esta relación, la fidelidad, fue de más del 90 por ciento. Esto es significativamente mayor que la fidelidad del 67 por ciento que se puede lograr con los métodos clásicos, es decir, aquellos que no se basan en efectos cuánticos. El método desarrollado en Garching por tanto, es una memoria cuántica real.

Los físicos midieron el tiempo de almacenamiento, es decir, el tiempo que la información cuántica se puede conservar en el rubidio, que fue de alrededor de 180 microsegundos. “Esto es comparable con los tiempos de almacenamiento de todas las memorias cuánticas anterior basadas  en conjuntos de átomos”, dice Stephan Ritter, otro investigador involucrado en el experimento. Sin embargo, es necesario un tiempo significativamente más mayor de almacenamiento para que el método pueda utilizarse en una computadora cuántica o una red cuántica. Hay también una característica de calidad más de la memoria cuántica de un solo átomo de Garching, que se puede mejorar: la eficiencia de la llamada. Es una medida que cuantifica cuantos de los fotones irradiados se almacenan para poder leer después. Ese indice fue de algo menos del 10 por ciento.

El tiempo de almacenamiento es limitado principalmente por las fluctuaciones del campo magnético del entorno de laboratorio, dice Ritter. “Por lo tanto, se puede aumentar mediante el almacenamiento de la información cuántica en  estados cuánticos de átomos que sean insensibles a los campos magnéticos.” La eficacia está limitada por el hecho de que el átomo no pueda quedarse quieto en el centro del resonador, sino que se mueve. Esto hace que la fuerza de la interacción entre átomos y fotones disminuya. Los investigadores pueden así mejorar la eficiencia: mediante una mayor refrigeración del átomo, es decir, reduciendo aún más su energía cinética.

Los investigadores del Instituto Max Planck en Garching quieren trabajar en estas dos mejoras. “Si esto tiene éxito, las perspectivas de una memoria cuántica de un solo átomo serían excelentes”, dice Stephan Ritter. La interfaz entre luz y átomos individuales que permite a los átomos formar una red en una computadora cuántica entre sí, sería posible sin este tipo de interfaz, un hecho que haría un ordenador más potente. Por otra parte, el intercambio de fotones permitiría entrelazar átomos a través de distancias grandes. El entrelazado cuántico es una especie de enlace entre partículas en mecánica cuántica, que es necesario para transportar información cuántica a través de distancias grandes. La técnica ya se está desarrollando en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y podría algún día conviertirse en un componente esencial de un hipotético “Internet cuántico”. 

Autor: Christian Meier

Enlace original: Single atom stores quantum information