Francis en Trending Ciencia: El entrelazamiento entre cubits de diamante

Disfruta de mi nuevo podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. He elegido como tema para mi nuevo podcast sobre física una noticia sobre mecánica cuántica, en concreto, un nuevo récord de distancia en el entrelazamiento de dos cubits de estado sólido implementados mediante cristales de diamante (ya hablé de ello en este blog). El grupo de investigación del Prof. Ronald Hanson, de la Universidad Técnica de Delft, Países Bajos, ha publicado online en Nature el pasado 24 de abril un artículo cuyo primer autor es su estudiante de doctorado Hannes Bernien, que ya apareció en el servidor de preprints arxiv el 26 de diciembre del año pasado, en concreto, el artículo arxiv:1212.6136.

El artículo técnico es H. Bernien et al., “Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres,” Nature, AOP 24 April 2013 [arXiv:1212.6136]. Recomiendo leer también a Richard Van Noorden, “Diamond shows promise for a quantum Internet. Crystal could be used to connect distant quantum networks,” Nature News, 24 Apr 2103.

Entrelazar cubits de estado sólido en distancias grandes es muy difícil pues se requiere un protocolo con una partícula que actúa como mediadora que recorra dicha distancia. Entrelazar dos cubits implementados con diamante en una distancia de 3 metros parece poco, pues esta distancia es muy pequeña comparada los casi 200 km que se logran con cubits implementados con fotones, pero trabajar con cubits implementados con diamante es mucho más difícil.

Pero antes de discutir más sobre este logro, permíteme recordar qué es el entrelazamiento cuántico, qué son los cubits implementados en celdas de diamante y por qué son tan interesantes.

Entrelazan dos cubits de estado sólido en una distancia de tres metros

Entrelazar cubits de estado sólido en distancias grandes es difícil pues se requiere un protocolo con un mediador que recorra dicha distancia. H. Bernien (Universidad Técnica de Delft, Holanda) y sus colegas han logrado entrelazar dos cubits codificados en el espín de electrones en dos celdas de diamante utilizando fotones como mediadores. La gran ventaja de la implementación de cubits en estado sólido es la posibilidad de utilizar técnicas de nanotecnología (nanofabricación), lo que facilita la escalabilidad del diseño. Este logro allana el camino hacia el uso de cubits de estado sólido en la futura red de internet cuántica, routers cuánticos y protocolos de teletransporte cuántico. El artículo técnico es H. Bernien et al., “Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres,” Nature, AOP 24 April 2013.

Un cubit se puede almacenar en el espín electrónico de un átomo de nitrógeno que actúe como defecto en una red cristalina de carbono (diamante). El espín electrónico permite representar los dos estados del cubit como  |↑> y |↓> en los estados S=0 y S=1, resp., que pueden ser controlados de forma individual con pulsos de microondas. El uso de fotones como mediadores en el protocolo tiene el problema de que la eficiencia no es perfecta, hay pérdida de fotones y los detectores pueden fallar. Para reducir estos efectos Bernien y sus colegas han utilizado un sistema redundante de doble vuelta, utilizando dos fotones como mediadores que van y vienen entre los dos cubits en sendas rondas. El resultado es un protocolo robusto contra la pérdida de fotones.

Por cierto, un título más chic para esta entrada sería “La internet cuántica del futuro gracias a los chips de diamante,” en la línea de Richard Van Noorden, “Diamond shows promise for a quantum Internet. Crystal could be used to connect distant quantum networks,” Nature News, 24 Apr 2013, pero me ha parecido demasiado chic. Quizás los futuros ordenadores cuánticos utilicen cubits de estado sólido en cristales de diamante, es decir, sean “chips cuánticos de diamante,” pero, la verdad, me parece un poco sensacionalista decirlo.

Ya lo conté en “Un diamante, el mejor amigo de una mujer, especialmente si es ingeniera en ordenadores cuánticos.” Los cubits de diamante son muy prometedores desde que el año pasado se demostró que podían superar la decoherencia durante decenas de milisegundos y que podían permitir el desarrollo de memorias cuánticas capaces de retener un cubit durante un segundo (“Gran avance en memorias cuánticas para almacenar cubits con el espín nuclear“). Pero, por supuesto, como siempre, sólo el tiempo dirá cuál es la tecnología ganadora que nos llevará hacia la internet cuántica del futuro y hacia los ordenadores cuánticas (ambas tecnologías no tienen por qué ser la misma).

Nuevo test para certificar el entrelazamiento y la no localidad en un sistema cuántico

Quieres comprar el ordenador cuántico o el sistema de criptografía cuántica que la empresa “fulanita” te vende. ¿Quién te certifica que es un sistema cuántico que usa el entrelazamiento y la no localidad? No puedes confiar a ciegas en lo que te diga la empresa. Tampoco puedes verificar la desigualdad de Bell (1964) o la CHSH, por Clauser, Horne, Shimony y Holt (1969), pues para ello tienes que acceder a las “tripas” del sistema y la empresa “fulanita” te quitará la garantía. Se acaba de publicar en Nature la solución a tu problema. Ben W. Reichardt (Universidad del Sur de California, Los Angeles, EE.UU.), Falk Unger (Knight Capital Group, Santa Clara, California EE.UU.) y Umesh Vazirani (Universidad de California, Berkeley, EE.UU.) han publicado una nueva versión del test CHSH mucho más fácil de verificar en la práctica, al que podemos bautizar como test RUV (por Reichardt, Unger y Vazirani). Nos lo cuentan Stefano Pironio, Dorit Aharonov, “Quantum physics: A grip on misbehaviour,” Nature 496: 436–437, 25 Apr 2013; el artículo técnico es Ben W. Reichardt, Falk Unger, Umesh Vazirani, “Classical command of quantum systems,” Nature 496: 456–460, 25 Apr 2013.

El test RUV verifica las correlaciones cuánticas entre dos sistemas que se comportan como cajas negras a las que podemos acceder sólo mediante una interfaz clásica muy sencilla. En concreto, el observador externo sólo puede realizar a cada caja negra dos preguntas pulsando sendos botones marcados con “0″ y “1″, a las que el sistema puede contestar con sólo dos respuestas, también marcadas con “0″ y “1″ (ver la figura que abre esta entrada). El observador externo no sabe lo que significan estas preguntas (qué propiedades físicas del sistema estudian) e ignora el proceso que produce las respuestas. El sistema se puede consultar tantas veces como se desee. Las correlaciones cuánticas no triviales entre ambos sistemas dejan una marca en las respuestas clásicas que permite verificar la no localidad y el entrelazamiento entre ellos con una certeza similar al test CHSH. El nuevo test RUV promete entrar con brío en el panorama del procesado de información cuántica, la criptografíca cuántica y la computación cuántica. 

Quizás puedas pensar que un ordenador cuántico está todavía lejos y que el test RUV tiene poca utilidad práctica, pero te equivocas. Ya hace más de una década que se pueden adquirir sistemas de cifrado de alta seguridad basados en criptografía cuántica para la distribución cuántica de claves (QKD). ¿Son seguras las implementaciones de estos protocolos que se venden comercialmente? ¿Qué nivel de seguridad tienes estas implementaciones comerciales? O lo que es más importante, ¿puedes confiar en la empresa que los comercializa?

Cualquiera puede utilizar el nuevo test RUV para verificar y/o certificar si un sistema QKD comercial funciona como tiene que funcionar, tomando dicho sistema como una caja negra a la que podemos interrogar con información clásica. Un proceso parecido a un interrogatorio de un policía a dos ladrones sobre un crimen; aunque el policía no sepa nada sobre el crimen puede verificar la consistencia de las respuestas de ambos ladrones para certificar su autoría. Tiempo al tiempo, para todo augura que pronto habrá empresas de certificación de sistemas cuánticos basadas en protocolos similares al test RUV a las que recurrirán tanto los usuarios finales como las propias empresas fabricantes. Como dicen que dijo Michael Faraday al primer ministro británico: “algún día, señor, cobrará impuestos por esto.” 

Francis en TrendingCiencia: Cifrado cuántico desde un avión a 300 km/h

Mi nuevo podcast en Trending Ciencia ya está disponible. Si te apetece escuchar el audio, sigue este enlace. Como siempre una transcripción.

Mi nueva noticia de Física es sobre computación cuántica; en concreto, sobre cifrado cuántico, también llamado criptografía cuántica. Físicos de la Agencia Espacial Alemana (conocida por sus siglas en alemán DLR) y de la Universidad de Ludwig Maximilians en Múnich (conocida por sus siglas LMU), han logrado ejecutar el protocolo cuántico de distribución de claves llamado BB84 desde un avión moviéndose a 290 km/h hasta una estación receptora en tierra situada a unos 20 km de distancia. ¡Increíble!

Sebastian Nauerth (del LMU) y sus colegas han publicado su logro el 31 de marzo en la revista Nature Photonics. El artículo técnico es Sebastian Nauerth, Florian Moll, Markus Rau, Christian Fuchs, Joachim Horwath, Stefan Frick & Harald Weinfurter, “Air-to-ground quantum communication,” Nature Photonics, AOP 31 Mar 2013. También recomiendo leer a Hamish Johnston, “Quantum signal sent from aircraft,” Physics World, Apr 5, 2013; y a John Timmer, “Quantum encryption keys obtained from a moving plane. A technical demonstration shows that an exchange with satellites is possible,” Ars Technica, Apr 2 2013.

Según Polchinski, nadie evitará que el astronauta acabe frito

En marzo de 2012, Joseph Polchinski (famoso teórico de cuerdas del KITP, Kavli Institute for Theoretical Physics, Santa Barbara, California) se preguntó que pasaría cuando un astronauta se sumergiera dentro de un agujero negro. Obviamente, moriría, ¿pero cómo? El principio de equivalencia de la relatividad general de Einstein implica que no notaría nada al atravesar el horizonte de sucesos y que su muerte sería debida a su estiramiento en forma de espagueti (en un agujero negro supermasivo podría pasar varios días dentro del horizonte de sucesos antes de notar nada en absoluto). Pero Polchinski publicó en julio de 2012, junto a dos estudiantes Ahmed Almheiri y James Sully, y su colega Donald Marolf (UCSB, Universidad de California, Santa Barbara) que, bajo ciertas circunstancias, el astronauta acabaría frito en el horizonte de sucesos, que se comportaría como un “muro de fuego” (firewall). Nos lo cuenta Zeeya Merali, “Fire in the hole! Will an astronaut who falls into a black hole be crushed or burned to a crisp?,” Nature 496: 20-23, 4 Apr 2013.

Cálculo eficiente del permanente de una matriz mediante computación cuántica

El permanente de una matriz cuadrada N×N se define como el determinante, pero sin alternar los signos de los factores. No hay ningún algoritmo clásico eficiente para calcular el permanente de una matriz general (aunque hay algoritmos de coste polinómico para ciertos tipos de matrices). Se publica en Science un algoritmo cuántico eficiente para calcular el permanente de una matriz que utiliza un ordenador cuántico analógico basado en caminos aleatorios. La matriz se define mediante el acoplo de N guías ópticas coplanares, fabricadas en la superficie de un chip, que son recorridas por fotones acoplados entre sí por las fuerzas de intercambio (las que resultan de la simetría de la función de onda asociada a que son partículas indistinguibles). Midiendo la probabilidad de encontrar un fotón a la salida de las guías se puede calcular el valor del permanente de la matriz. Más aún, la computación cuántica con caminos aleatorios es universal, permite simular cualquier ordenador cuántico basado en puertas lógicas, aunque se requiere un polinomio de grado doce en el número de cubits, como también se publica hoy en Science, lo que lo hace eficiente, pero no práctico. Nos lo cuenta James D. Franson, “Beating Classical Computing Without a Quantum Computer,” Science 339: 767-768, 15 Feb 2013, que se hace eco de los artículos de Matthew A. Broome et al., “Photonic Boson Sampling in a Tunable Circuit,” Science 339: 794-798, 15 Feb 2013, Andrew M. Childs et al., “Universal Computation by Multiparticle Quantum Walk,” Science 339: 791-794, 15 Feb 2013, y Justin B. Spring et al., “Boson Sampling on a Photonic Chip,” Science 339: 798-801, 15 Feb 2013.

El control activo de la decoherencia cuántica

Mantener un cubit estable durante un tiempo indefinido parece imposible, ya que la decoherencia cuántica destruye su estado. ¿Se puede controlar la decoherencia? En 2002 se propuso un esquema teórico para controlar la decoherencia mediante un bucle realimentado continuo utilizando medidas débiles. Se publica en Nature la primera implementación experimental de dicho esquema. Un cubit superconductor acoplado a una cavidad óptica de microondas, que sin control sufre la decoherencia en pocos microsegundos, gracias al control realimentado logra mantener su estado durante al menos 20 milisegundos (unas 10000 actuaciones del control); por cuestiones técnicas no se ha podido medir el cubit durante un tiempo más largo, aunque los autores del artículo afirman que la teoría predice que su método podría haber logrado controlar el cubit durante un tiempo casi indefinido. Aunque quizás son muy optimistas, este nuevo resultado es un gran avance en el campo de los computadores cuánticos. Nos lo cuenta Howard M. Wiseman, “Quantum physics: Cruise control for a qubit,” Nature 490: 43–44 (04 October 2012), que se hace eco del artículo técnico de R. Vijay et al., “Stabilizing Rabi oscillations in a superconducting qubit using quantum feedback,” Nature 490: 77–80 (04 October 2012) [arXiv:1205.5591].

La idea del control realimentado se ilustra en la figura que abre esta entrada. Imagina que tienes que conducir un coche en un juego de ordenador por una pista de carreras circular de tal forma que des una vuelta al circuito cada minuto. Hay un gran reloj en el centro de la pista que te marca el tiempo. ¿Cómo lo harías? Lo más obvio sería tratar de mantener la velocidad del coche para que fuera justo al lado del lugar apuntado por la manilla (o aguja) del reloj. Si vas un poquito por detrás, pisarás el acelerador, pero si la adelantas, pisarás el freno (o desacelerarás). Este proceso se llama control realimentado continuo.

Vijay et al. han utilizado esta idea para controlar un cubit superconductor de estado sólido (un diodo Josephson) acoplado a una cavidad de microondas tridimensional. Aplicando un campo de microondas a cierta frecuencia (que actuará como reloj) se puede lograr que el cubit “resuene” al ritmo de dicho campo. La decoherencia cuántica (debida a cualquier fluctuación del sistema cuántico) hace que el cubit se desacople del reloj y se ponga a oscilar a un ritmo impredecible, lo que provoca la medida accidental y el correspondiente colapso de su estado. Gracias al sistema de control realimentado, basado en una medida débil continua del estado del cubit y la aplicación adecuada de fotones de microondas a mayor frecuencia, se puede conseguir que el cubit resuene con el reloj y mantenga su estado por un tiempo casi indefinido (según los autores). Obviamente, la eficiencia del control no es del 100% y los experimentos solo han alcanzado el éxito en un 50% de los casos.

El cubit utilizado en este experimento se denomina transmón. A muy baja temperatura este cubit superconductor presenta solo dos estados cuánticos, el fundamental y el primer estado excitado. Dentro de la cavidad de microondas, el cubit puede entrar en resonancia con un campo externo aplicado, apareciendo a la salida de la cavidad las llamadas oscilaciones de Rabi, que pueden ser utilizadas para realizar una medida débil del estado del cubit. Esta salida (OUT) de la cavidad es enviada a una serie de amplificadores que se utilizan como entrada del sistema de control realimentado. Para la actuación sobre el cubit se utilizan fotones de alta frecuencia que son introducidos en la cavidad resonante uno a uno por la entrada (IN). La aplicación adecuada de estos pulsos (los detalles técnicos que determinan cómo hay que hacerlo están más allá del objetivo de esta entrada) permite salvar al cubit de la decoherencia, manteniendo su estado de forma prácticamente indefinida. Este hecho se ha demostrado gracias a las mismas oscilaciones de Rabi. El acuerdo entre las medidas experimentales y las predicciones teóricas (obtenidas mediante simulación numérica) es excelente.

Según los autores, este esquema de control activo de la decoherencia cuántica podría permitir mantener el cubit en su estado durante un tiempo casi indefinido. Obviamente, no basta con tener un cubit para lograr un computador cuántico, además hay que entrelazar varios cubits. Los autores afirman que la tecnología que han utilizado se puede extender a un registro de varios cubits entrelazados (lo que requerirá varios años de estudios y experimentos). En su caso, el control activo podría ser una alternativa práctica a las técnicas de corrección de errores, hasta ahora la única manera de combatir la decoherencia. Habrá que estar al loro de estos avances, en apariencia muy prometedores.

Gran avance en memorias cuánticas para almacenar cubits con el espín nuclear

Un cristal de diamante  ultrapuro, con una molécula de carbono 13 por cada millón de átomos de carbono 12, podría almacenar un cubit (bit cuántico) durante 24 horas a temperatura ambiente, según un modelo teórico publicado hoy en Science. Los autores han verificado su modelo mediante un experimento que ha logrado almacenar un cubit durante tres segundos tiempo uso de un cristal de diamante con un átomo de carbono 13 por cada cien átomos de carbono 12 (tres segundos es unas mil veces el récord anterior a temperatura ambiente). Más aún, en el mismo número de Science se ha publicado el almacenamiento de un cubit durante tres minutos (180 segundos) en una memoria cuántica basada en silicio (el cubit se ha almacenado en el espín nuclear de una impureza de fósforo), pero enfriado a 4,2 K. Estos dos grandes avances en el desarrollo de memorias cuánticas basadas en el espín nuclear coloca a estas técnicas en un camino envidiable hacia el desarrollo de un futuro ordenador cuántico de utilidad práctica. Nos lo han contado Christoph Boehme, Dane R. McCamey, “Nuclear-Spin Quantum Memory Poised to Take the Lead,” Perspective, Science 336: 1239-1240, 8 June 2012, quienes se hacen eco de los artículos técnicos de M. Steger et al., “Quantum Information Storage for over 180 s Using Donor Spins in a 28Si “Semiconductor Vacuum”,” Science 336: 1280-1283, 8 June 2012, y P. C. Maurer et al., “Room-Temperature Quantum Bit Memory Exceeding One Second,” Science 336: 1283-1286, 8 June 2012.

Cada cubit de la memoria de un computador cuántico tiene que cumplir dos objetivos contradictorios, por un lado, debe estar aislado del entorno para evitar que la decoherencia cuántica destruya su estado y, por otro lado, debe poder interaccionar con otros sistemas cuánticos para que se pueda leer y/o escribir dicho estado. Parece imposible lograrlo, pero hay un truco obvio, almacenar el cubit en dos sistemas cuánticos bien separados, uno que esté bien aislado y permita un almacenamiento durante mucho tiempo, y otro que sea de fácil acceso. Las memorias cuánticas de estado sólido cumplen con este requisito: utilizan el espín nuclear para almacenar los cubits de forma “permanente” y que acoplan, gracias a la llamada interacción hiperfina, dicho espín al de un electrón con el que se puede interaccionar mediante técnicas ópticas con rapidez y eficacia. Maurer y sus colegas han utilizado átomos de carbono 13 aislados en un diamante de carbono 12 ultrapuro a temperatura ambiente (figura de arriba). Steger y sus colegas han utilizado átomos de fósforo 31 aislados en un bloque de silicio 29 ultrapuro como cubits a temperaturas criogénicas (figura de abajo). Ambas técnicas son muy prometedoras, pero a mí me ha gustado más el trabajo de los primeros, que incluye en la información suplementaria de su artículo un análisis teórico riguroso que permite extrapolar sus conclusiones al caso de que se pudiera purificar el diamante utilizado; si su modelo se puede es extrapolar permite afirmar que podrán alcanzar duraciones de almacenamiento de un cubit de muchas horas, incluso hasta un día (24 horas). Por supuesto, su análisis teórico es optimista (quizás demasiado optimista), pero si se confirma será un paso de gigante en dirección hacia la fabricación de ordenadores cuánticos de utilidad práctica.

 

Un diamante, el mejor amigo de una mujer, especialmente si es ingeniera en ordenadores cuánticos

Ya os conté en “Un diamante, el mejor amigo de una mujer y de un científico,” que el diamante parece que será para los ordenadores cuánticos lo que el silicio ha sido para los clásicos. Una impureza de nitrógeno en un diamante puede comportarse como un cubit (tanto usando el espín de su núcleo N-14, como el espín de su electrón), o incluso como dos cubits (usando simultáneamente ambos, como muestra la figura de arriba). Esto ya se publicó en Science en 2006. Ahora se publica en Nature la implementación de una puerta cuántica CNOT (NO-controlado; ver figura de abajo) capaz de funcionar durante 120 μs, que puede parecer poco tiempo pero es el doble del tiempo estimado de decoherencia cuántica; el gran logro del artículo ha sido ese, vencer a la decoherencia cuántica. Quizás te parezca un logro menor, pero es la primera implementación de una puerta CNOT capaz de funcionar durante 0,12 ms (un tiempo enorme desde el punto de vista de los ordenadores cuánticos). Por ello, este logro ha merecido publicarse en Nature; el artículo técnico es T. van der Sar et al.,Decoherence-protected quantum gates for a hybrid solid-state spin register,” Nature 484: 82–86 (05 April 2012) [ArXiv:1202.4379].

Para demostrar que su diseño funciona, los autores han implementado un par de algoritmos cuánticos. El más interesante es el algoritmo cuántico de búsqueda Grover. Te recuerdo que este algoritmo puede encontrar un bit en un registro de L bits en un número de pasos O(√L), cuando un algoritmo clásico requiere O(L) pasos. El registro de L bits se almacena con m cubits (con 2m ≥ L). Los autores del artículo han implementado el algoritmo para L=4 con m=2 cubits (ver figura de abajo). En solo dos pasos este algoritmo es capaz de encontrar la posición del primer 1 en una secuencia de bits entre 0000, 0001, 0010, …, 1111. La ejecución del algoritmo ha requerido 322 μs, con una fidelidad mayor del 91% (depende de la secuencia del registro bits y en algunos casos se alcanza una fidelidad mayor del 95%). Hay que recordar que esto es habitual en todos los algoritmos cuánticos, nunca logran una fidelidad del 100%.

En resumen, no quiero engañar a nadie, este gran logro en computación cuántica ha recibido el premio de ser publicado en Nature cuando la parte más importante (el cubit en diamante) ya se publicó en Science, pero todavía queda mucho para que podamos hablar de ordenadores cuánticos “útiles” basados en diamante. Por ahora, el diamante seguirá siendo el mejor amigo de la mujer.

Perdón por el toque machista en esta entrada, en la línea del comentario de KFC “Diamonds are a girl’s best friend, especially if she’s a quantum engineer.” No he podido resistir la tentación.

El ordenador “cuántico” canadiense de 128 cubits de D-Wave Systems

D-Wave Systems es una empresa que fabrica ordenadores “cuánticos” adiabáticos con 128 cubits y recibe financiación de empresas como Google. Scott Aaronson (profesor del MIT) es el crítico oficial de los logros de este empresa. D-Wave Systems ha publicado artículos en revistas internacionales tan prestigiosas como Nature, pero no ha logrado demostrar que sus ordenadores cuánticos logren el entrelazamiento entre sus cubits, la “prueba del algodón” para todo ordenador cuántico. Scott ha impartido una charla de la AAAS en la Universidad de Columbia Británica y ha aprovechado para visitar (junto a John Preskill, John Martinis y Michael Freedman) los cuarteles centrales de D-Wave Systems. Antes de la visita le invitaron a galletas, pero decidió no tomar ninguna no vaya a ser que estuvieran envenenadas. Ya se sabe que más vale prevenir… Nos relata en su blog su visita “My visit to D-Wave: Beyond the roast-beef sandwich,” Shtel-Optimized,  Feb. 21, 2012. Permíteme un resumen.

Punto #1: D-Wave One es una máquina con 128 (cu)bits que puede aproximar la solución de un problema de minimización NP-duro (el problema de minimizar la energía de un sistema de Ising con entre 90 y 100 espines con interacciones a pares según un grafo programable, la “entrada” de la máquina). Geordie Rose (junto a su máquina a la izquierda), que ganó el premio al Innovador Canadiense del Año 2011, y sus colegas afirman que el recocido cuántico de esta máquina es más rápido que el recocido estimulado clásico, lo que indica que la máquina es efectivamente un ordenador cuántico adiabático (en teoría solo sería más rápido si el ordenador “cuántico” logra entrelazar cubits durante la ejecución del algoritmo). Para Scott este resultado es interesante pero aún no está claro qué significa ya que no se puede asegurar que la coherencia cuántica juegue algún papel en el mismo.

Punto #2. Scott le ha preguntado a Mohammad Amin, líder del artículo de D-Wave del año pasado en Nature que demostraba el efecto túnel en un algoritmo de recocido cuántico con 8 cubits, si tenían algún tipo de prueba experimental de que hubiera entrelazamiento entre estos cubits. Amin le ha confesado que no la tienen (por ahora). La manera más fácil de demostrar el entrelazamiento es demostrar la violación de las desigualdades de Bell; otros grupos de investigación que también usan cubits superconductores lo han logrado, pero Amin confiesa que dicha verificación no es posible con el diseño actual de los ordenadores “cuánticos” que tiene D-Wave.

Punto #3: Este punto es el más interesante, en mi opinión. Scott confiesa que muchos expertos pensaba que D-Wave afirmaba que, aunque su ordenador “cuántico” no presente entrelazamiento entre cubits durante el cómputo (la decoherencia cuántica provoca que sus cubits de desentrelacen antes del inicio del algoritmo), su ordenador cuántico podía resolver problemas asintóticamente más rápido que un ordenador clásico. Sin embargo, Scott ha descubierto que esto no es lo que afirma D-Wave. Ellos creen que su sistema sistema pierde la decoherencia de forma casi inmediata en la base de autoestados de la energía, pero que ellos creen que no la pierde en la base “computacional” (se producen algunos entrelazamientos durante las etapas intermedias del algoritmo). Esta idea es la que subyace a la computación cuántica adabiática y la razón por la que desde D-Wave se cree que tienen un ordenador cuántico. Sin embargo, los expertos son escépticos respecto a que pueda haber decoherencia en la base de la energía sin que la haya en la base de autoestados computacionales (al menos esto nunca ha sido demostrado de forma experimental).

Mientras D-Wave no demuestre que existe entrelazamiento entre los cubits durante la ejecución de su algoritmo todos sus logros seguirán puestos en duda por los expertos. Nadie entiende por qué centra sus esfuerzos en incrementar el número de cubits en lugar de demostrar el entrelazamiento, aunque sea parcial, durante el cálculo. Scott recomienda a D-Wave que se centre en este asunto.

En la web y en la blogosfera mucha gente afirma que no importa si los sistemas de D-Wave funcionan de forma cuántica o no lo hacen, o si utilizan la coherencia cuántica o no, mientras resuelvan problemas prácticos más rápido que un ordenador clásico. La palabra “cuántica” la utilizan para atraer dinero, interés y a jóvenes investigadores. Quién le daría 10 millones de dólares a una empresa para implementar un algoritmo de recocido estimulado que permita simular un sistema de Ising con 90 bits. Según Scott, nadie. Más aún, cuando el ordenador con el que estás leyendo esto puede realizar esa tarea millones de veces más rápido que el ordenador “cuántico” D-Wave One.

En resumen, Scott no ha cambiado de opinión sobre D-Wave tras la visita. Mientras no demuestren que su ordenador es cuántico, su ordenador seguirá siendo “cuántico” y sus logros serán puestos en duda por los expertos (y por quien escribe esto en este blog).

Más información sobre D-Wave Systems en este blog: 26 enero 2008, “Computación cuántica adiabática (o el “primer” ordenador cuántico comercial),” 12 marzo 2008, “Conferencia en la Universidad de Málaga = Orión, el “primer” computador cuántico comercial – Una introducción a la computación cuántica adiabática,” 18 mayo 2009, “Tras Orion, Rainier, un ordenador cuántico adiabático de D-Wave Systems de 128 cubits,” 13 mayo 2011, “Inaudito, D-Wave Systems logra publicar un artículo en Nature,” 6 junio 2011, “Por primera vez en la historia se vende un ordenador cuántico “D-Wave One”.”

Hacia la computación cuántica topológica gracias a los fermiones de Majorana

Leo Kouwenhoven y su nanohilo de InSb conectado a una fuente, un drenador y cinco puertas.

Lo que sube cae, lo que se excita decae. Un cubit ideal tiene que luchar contra la decoherencia cuántica, lo que es casi imposible si es una superposición cuántica de un estado fundamental y un estado excitado, pues dicho estado excitado tiende a decaer al fundamental. ¿Cómo evitarlo? Construyendo el cubit utilizando una superposición cuántica de dos estados fundamentales, lo que requiere un sistema cuántico cuyo estado fundamental esté degenerado. Igual que un topólogo no distingue entre la taza de café y el dónut, pues ambos tienen un solo agujero, la computación cuántica topológica propone implementar cubits utilizando sistemas cuyo estado fundamental está degenerado y presentan un invariante topológico con al menos dos estados discretos, los valores clásicos del cubit. En teoría el efecto de la decoherencia cuántica sobre estos cubits topológicos es despreciable, pues no puede alterar su invariante topológico, lo que permite que se comporten como cubits ideales durante un tiempo largo. ¿Pero cómo fabricar un cubit topológico ideal? Hay varias propuestas, pero la más prometedora es utilizar las propiedades de los fermiones de Majorana, que pueden formar parejas (que se comportan como fermiones de Dirac y tienen un invariante topológico natural). Muchos grupos de investigación en física del estado sólido están luchando en un carrera de obstáculos con objeto de ser los primeros en fabricar un sistema con estas características, con objeto de lograr el tan ansiado Premio Nobel de Física, como nos contaron Robert F. Service, “Search for Majorana Fermions Nearing Success at Last?,” Science 332: 193-195, 8 April 2011, y Barbara Goss Levi, “The expanding search for Majorana particles,” Physics Today 64: 20, March 2011. ¿Qué grupo será el vencedor de la carrera?

Leo Kouwenhoven (Instituto Kavli de Nanociencia, Delft, Holanda) ha afirmado el 28 de febrero que él es el ganador de la carrera, el primero en lograr observar fermiones de Majorana (en su caso en un nanohilo de antimoniuro de indio). Lo ha afirmado en una charla en la Reunión de Marzo de la APS (American Physical Society), en Boston, Massachusetts, y nos lo ha contado Eugenie Samuel Reich ,”Quest for quirky quantum particles may have struck gold. Evidence for elusive Majorana fermions raises possibilities for quantum computers,” Nature News, 28 February 2012 [Kanijo la ha traducido en "La búsqueda de unas extrañas partículas cuánticas puede haber encontrado oro," Ciencia Kanija, 29 feb. 2012]. Como todavía no se ha publicado el artículo técnico correspondiente (seguramente habrá sido enviado a Nature o Science y estará en proceso de revisión), aún no podemos asegurar que Kouwnhoven y su grupo hayan sido los ganadores. Pero los asistentes a su charla han quedado convencidos, como “Jay Sau, físico de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts que dice que cree que es el experimento más prometedor hasta el momento y será difícil oponerse a que son fermiones de Majorana.”

¿Servirán los fermiones de Majorana de Delft para diseñar un cubit topológico? Por lo que parece en la charla de Kouwenhoven no se ha aclarado este punto y no se sabe si sus femiones de Majorana tendrán una vida media suficientemente larga como para poder fabricar con ellos cubits. Aún así, Reich califica de impresionante el logro del grupo de Delft de física del estado sólido. No quiero pecar de abogado del diablo, pero hasta que no se publique el artículo técnico y se conozcan los detalles, debemos ser cautos y pensar que quizás estemos, de nuevo, ante otra falsa alarma. Ya os contaré…

La criptografía cuántica es capaz de detectar a un intruso en el escenario más paranoico posible

La clave secreta de tu cuenta bancaria online puede estar bien guardada en tu cerebro, pero alguien que pueda manipular tu ordenador de forma maliciosa con absoluta libertad tiene muchos medios para descubrirla. La criptografía clásica no puede hacer nada, pero la cuántica sí que puede. Los paranoicos de la seguridad tienen un protocolo cuántico capaz de detectar intrusos en el peor escenario posible. Un nuevo protocolo de criptografía cuántica capaz de luchar contra el libre albedrío del manipulador del equipo y contra cualquier manipulación posible de dicho equipo se ha presentado hoy en el congreso anual de la AAAS de 2012. El nuevo protocolo ha sido obtenido por uno de los mayores expertos mundiales en cifrado cuántico, Artur Ekert, profesor de la Universidad de Oxford, GB y director del Centro de Tecnologías Cuánticas de la Universidad Nacional de Singapur. Me he enterado gracias a Jenny Hogan, “Twists to quantum technique for secret messaging give unanticipated power,” EurekAlert!, 18 Feb. 2012, que no presenta detalles del nuevo protocolo cuántico. Ekert presentará en su charla “A Powerful Twist on Quantum Cryptography,” 2012 AAAS Meeting, un protocolo de cifrado cuántico independiente del dispositivo (device independent cryptography) basado en su reciente artículo Koh et al., “The effects of reduced “free will” on Bell-based randomness expansion,” ArXiv, 16 Feb 2012; supongo que será similar al publicado por Barrett, Colbeck y Kent, “Prisoners of their own device: Trojan attacks on device-independent quantum cryptography,” ArXiv, 20 Jan 2012.

¿Quieres saber algo más sobre cifrado cuántico? Te recomiendo la lectura del breve artículo de Artur Ekert, “Cracking codes,” +plus magazine, March 1, 2005, y “Cracking codes, part II,” +plus magazine, April 30, 2005. El artículo de Artur Ekert, “Less reality, More Security,” también merece una lectura.

También en este blog: “Un protocolo “doble ciego” de computación cuántica universal,” 20 enero 2012, y “¿Podrá la NASA diseñar un protocolo cuántico que asegure fuera de toda duda que una persona ha pisado Marte?,” 16 noviembre 2011.

¿Podrá la NASA diseñar un protocolo cuántico que asegure fuera de toda duda que una persona ha pisado Marte?

El 20 de julio de 1969, millones de personas vieron por televisión como Neil Armstrong pisó la Luna, pero el 20% de los estadounidenses aún lo dudan. Algún día veremos por televisión a un astronauta pisar el planeta Marte, ¿cuántos dudarán de la hazaña? ¿Es posible diseñar un protocolo cuántico que garantice, fuera de toda duda, que alguien ha estado en un lugar determinado? Buhrman et al. propusieron un posible protocolo en CRYPTO 2011, pero han surgido dudas en contra; algunos expertos en información cuántica van más allá y creen que se podrá demostrar que es imposible hacerlo. Nos lo cuenta el experto en cifrado cuántico Gilles Brassard, “Quantum information: The conundrum of secure positioning,” Nature 479: 307–308, 17 November 2011. El artículo técnico motivo de la polémica es Harry Buhrman et al., “Position-based quantum cryptography: impossibility and constructions,” Lecture Notes in Computer Science 6841: 429-446, 2011 [ArXiv preprint].

No existe ningún protocolo clásico capaz de resolver este problema (llamado  ”secure positioning”), como demostraron matemáticamente Chandran et al., “Position based cryptography,” LNCS 5677: 391-407, 2009. Pero se creía que se podría diseñar un protocolo cuántico capaz de resolver este problema con éxito (un sistema que fuera inviolable igual que los sistemas de cifrado (criptografía) cuánticos son inviolables). De hecho, varias patentes pretenden haber resuelto este problema. Sin embargo, estos protocolos cuánticos pueden ser violados utilizando ciertas propiedades antiintuitivas de la mecánica cuántica, como demostraron matemáticamente Chandran et al., “Position-Based Quantum Cryptography,” ArXiv, 2010. En 2011, los ya mencionados, Buhrman et al., “Position-Based Quantum Cryptography: Impossibility and Constructions,” ArXiv, 2011, han mejorado y extendido los resultados de Chandran et al., pero han encontrado un caso (loophole) en el que su teorema no es aplicable y han desarrollado un protocolo inviolable bajo la condición de que los violadores (hackers cuánticos) no puedan entrelazar nada con el sistema cuántico antes de la ejecución del protocolo. Bajo esta condición este protocolo parece absolutamente seguro, pero Brassard opina que aún no se ha encontrado la solución definitiva del problema. Habrá que esperar a que alguien logre evitar los teoremas de Chandran et al. y Buhrman et al. presentando un protocolo inviolable incluso para los hackers que tengan acceso completo al sistema seguro de posicionamiento.

El control activo mediante realimentación permite minimizar los efectos de la decoherencia cuántica

 

El gran problema de los computadores cuánticos es la decoherencia: Un sistema cuántico no puede permanecer eternamente aislado y sus estados cuánticos se mezclan con los del entorno, perturbando cualquier algoritmo de computación con ruido espurio. Para luchar contra la decoherencia el camino más habitual son los códigos y algoritmos correctores de error, pero existe otra vía, los sistemas de control activos capaces de corregir los efectos de la decoherencia en tiempo real. Se publica en Nature un gran paso en este sentido, la primera implementación experimental de la propuesta teórica del mexicano J.M. Geremia (2006). Un sistema de control realimentado requiere un sensor (del estado a controlar) y un actuador (sobre dicho estado). Como sensor se utilizan medidas cuánticas débiles que permiten determinar el estado del sistema cuántico con una perturbación mínima y decidir qué acción debe tomar el actuador (que sigue las órdenes de un programa de ordenador). Como actuador se utiliza el mismo sistema que permite preparar el estado inicial del sistema, basado en el acoplamiento con un cubit externo. Gracias al nuevo sistema de control activo el estado cuántico ha sobrevivido a la decoherencia durante más de 164 milisegundos (200 bucles de control) en un estado entrelazado de 7 fotones, todo un récord. El artículo técnico es Clément Sayrin et al., “Real-time quantum feedback prepares and stabilizes photon number states,” Nature 477: 73–77, 01 September 2011 (ArXiv preprint), y J.M. Geremia, “Deterministic and Nondestructively Verifiable Preparation of Photon Number States,” Phys. Rev. Lett. 97: 073601, 2006.

Propuesta teórica de Geremia (2006).

Los detalles técnicos son difíciles de explicar sin utilizar la oscura jerga de la mecánica cuántica. En este artículo los estados cuánticos se han representado utilizando fotones (en el régimen de microondas). Un  fotón puede encontrarse en dos estados, un estado fundamental |g y un estado excitado |e, que actúan como los dos estados de un cubit (bit cuántico). Un estado de Fock con n fotones es un registro binario de n cubits que puede estar en 2ⁿ posibles estados. Un estado de Fock es como una celda una memoria cuántica. Estos estados de Fock son difíciles de generar y muy frágiles debido a la decoherencia. Si T_c es el tiempo de decoherencia para un solo fotón, cuando se utiliza un registro con n fotones en un estado de Fock dicho tiempo se reduce a T_c/n. En el nuevo artículo se ha utilizado un estado de Fock con 7 fotones. La decoherencia se observa cuando uno de los fotones del estado de Fock se entrelaza con el entorno y el registro de cubits se rompe en dos registros de menor tamaño. Cuando el sistema de control activo detecta que un fotón empieza a sufrir los efectos de la decoherencia, se encarga de que el actuador restituya el estado original de dicho fotón (inyectando estados clásicos de Glauber “pequeños” que no afectan a los demás fotones). Por ahora, esta idea es útil en memorias cuánticas que almacenan un estado cuántico en un registro de cubits, o en sistemas de comunicación cuántica que transmitan información por un canal.

Implementación experimental de Sayrin et al. (2011).

Explicar los detalles técnicos del experimento está más allá de mi objetivo con esta entrada. Esta figura muestra el esquema implementado. El sistema utiliza un interferómetro atómico de Ramsey (cavidades auxiliares R₁ y R₂) alrededor de un cavidad resonante superconductora de Fabry–Perot (C) a 51 GHZ que está enfriada a 0,8 K. Los 7 fotones se encuentran encerrados en dicha cavidad C. El actuador (A) utiliza una fuente clásica de pulsos (S) que provocan transiciones no resonantes  en la cavidad de Fabry-Perot, es decir, transiciones |g>→|e>. Un sistema de átomos acoplados permite seleccionar sobre qué fotón concreto se actúa, sin afectar a los demás. Como sensor se utiliza el detector por ionización (D) que mide los estados de los cubits en la base e/g con una eficiencia del 35%. El controlador (K) recoge información del sensor D y gracias a un programa de control traslada dicha información al actuador A. Explicar más detalles nos llevaría demasiado lejos. Mi idea con esta figura es ilustrar lo complicado que es el sistema utilizado.

Por primera vez en la historia se vende un ordenador cuántico “D-Wave One”

Geordie Rose cofundador de D-Wave Systems.

La empresa canadiense D-Wave Systems fabrica ordenadores cuánticos basados en cubits superconductores y recibe financiación privada de empresas como Google. Pretender vender algo lo puede pretender cualquiera, la cuestión es que alguien lo quiera comprar. Por primera vez en la historia, una empresa multinacional (Lockheed Martin de Maryland, EE.UU.) ha comprado un ordenador cuántico a D-Wave Systems, llamado D-Wave One. Muchos expertos en computación cuántica creen que este ordenador no es un ordenador cuántico, aunque hace un par de semanas ocurrió algo inaudito, D-Wave Systems logró publicar un artículo en Nature demostrando un ordenador cuántico de 8 cubits. Esta compañía afirma que sus ordenadores utilizan el concepto de computación cuántica adiabática, pero lograr demostrar que un ordenador de 128 cubits se comporta como debe es muy difícil, casi imposible. Expertos como Scott Aaronson (MIT, EE.UU.) tienen serias dudas y opinan que el comportamiento “cuántico” en realidad es “estadístico clásico” (fluctuaciones térmicas en los cubits superconductores sin ningún entrelazamiento cuántico útil). Thad Madden, portavoz de la compañía Lockheed Martin, afirma que han revisado durante un año el funcionamiento de D-Wave One y se comporta como ellos necesitan para desarrollar un nuevo sistema de ciberseguridad cuántica (que a su vez venderán cuando esté desarrollado). Por eso han comprado dicho ordenador. Geordie Rose, bloguero y cofundador de D-Wave Systems y cabeza visible de dicha compañía está que se sale y cree que su venta confirma que sus ordenadores cuánticos adiabáticos tienen un gran mercado potencial. En resumen, una sorprendente noticia que ha merecido aparecer en Nature por duplicado: Zeeya Merali, “First sale for quantum computing. But critics say that D-Wave’s system is still something of a black box,” News, Nature 474: 18, 31 May 2011, y Zeeya Merali, “Quantum computing: The power of discord. Physicists have always thought quantum computing is hard because quantum states are incredibly fragile. But could noise and messiness actually help things along?,” News Feature, Nature 474, 24-26, 1 June 2011.

Por cierto, si quieres aprender a programar D-Wave One puedes seguir el curso que ha iniciado en su blog Geordie Rose, “Learning to program the D-Wave One: Introduction to binary classification,” Hack the multiverse, June 1, 2011.

Curiosidad: ¿Cuál es el ordenador cuántico “de verdad” con el récord de cubits? Demostrar que un ordenador cuántico es un ordenador cuántico es muy difícil. El ordenador cuántico “demostrado” con mayor número de cubits tiene 14 cubits entrelazados (publicado en PRL en 2011). Como he indicado antes, el ordenador cuántico adiabático ”demostrado” con mayor número de cubits tiene 8 cubits entrelazados (publicado en Nature en 2011).

Curiosidad: ¿Para qué sirve un ordenador cuántico de 128 cubits? Para poco, la verdad, para muy poco. En 2001 se implementó el algoritmo cuántico de Peter Shor con 7 cubits y se logró factorizar 15 = 3 × 5. Has leído bien, 7 cubits para realizar una operación que realizan los niños al aprender la tabla de multiplicar. Con 128 cubits se puede llegar un poco más lejos, sobre todo en problemas de búsqueda, pero dado que los ordenadores cuánticos son muy lentos comparados con los ordenadores convencionales, su utilidad es más bien anecdótica. En mi opinión personal a Lockheed Martin lo que le interesa con la compra de D-Wave One es la publicidad que conlleva ser la primera compañía del mundo que ha comprado un ordenador cuántico comercial. En mi opinión es una cuestión de marketing (pero me gustaría equivocarme). Ya sabe, como sobre al amor, sobre marketing no hay nada escrito.

PS (08 junio 2011): Recomiendo el post de Robert R. Tucci, “<a href=”http://qbnets.wordpress.com/2011/05/24/d-waves-tunneling-quantum-computer/”>D-Wave’s Tunneling Quantum Computer</a>,” Quantum Bayesian Networks, May 24, 2011.

Inaudito, D-Wave Systems logra publicar un artículo en Nature

La compañía canadiense D-Wave Systems anunció el 13 de febrero de 2007 el desarrollo del primer computador cuántico “comercial” llamado Orion. Basado en el concepto de computación cuántica adiabática, pocos se lo tomaron en serio.  Publicaron en Physical Review Letters, lograron la financiación del gigante Google y, para sorpresa de todos, acaban de publicar en Nature. Yo impartí una conferencia en Málaga sobre este tema y he de confesar que me alegro de los éxitos de esta compañía. ¿Qué han publicado? Johnson et al. han logrado la primera implementación del algoritmo de “recocido cuántico” (quantum annealing) con 8 cubits. Sólo 8 cubits, cuando su ordenador Rainier se supone que ya tenía 128 cubits. Su apuesta ha sido esa, escalar ordenadores con muchos cubits sin preocuparse por si son cubits o no lo son; apostar por el avance hacia adelante en lugar de por dar pasos seguros. En paralelo, con ordenadores de muchos menos cubits, están demostrando que el concepto funciona y lo están publicando en revistas de prestigio. Se pueden tener dudas sobre si el concepto es escalable o no, pero, ¿y si lo es? La computación cuántica avanza lentamente y nunca antes se había logrado demostrar la computación cuántica adiabática con 8 cubits. Por eso este logro merece haber sido publicado en la prestigiosa revista Nature. Nos lo cuenta William D. Oliver, “Quantum physics: Keep your feet on the ground,” News & Views, Nature 473: 164–165, 12 May 2011.M. W. Johnson et al., “Quantum annealing with manufactured spins,” Nature 473: 194–198, 12 May 2011. Geordi Rose (cofundador de D-Wave Systems y bloguero por onvicción) debe estar que se sale, no debe caber en ningún traje.

La diferencia entre la computación cuántica convencional y la adiabática es fácil de explicar. La convencional trata de imitar las ideas usadas en los ordenadores (clásicos) convencionales, pero en su versión cuántica. Sin embargo, la computación cuántica adiabática utiliza un concepto novedoso cuyo análogo clásico no tiene ninguna utilidad práctica. El problema de este tipo de computación es que, aunque en teoría es universal y permite resolver cualquier problema, en la práctica está limitada a ciertos problemas concretos, por ejemplo, problemas de búsqueda en grafos, pero ya se sabe que empresas como Google viven de resolver problemas de búsqueda de forma eficiente.

En el nuevo artículo de Johnson et al. se ha implementado un sistema de espines de tipo Ising unidimensional con ocho espines. Cada espín actúa como un cubit (bit cuántico) superconductor implementado gracias a una unión (diodo) de tipo Josephson. Los dos estados del cubit (1 y 0) corresponden a las dos direcciones de propagación del flujo magnético cuantizado en el dispositivo. Se trata de un cubit porque la mecánica cuántica permite que que el dispositivo se encuentre en un estado de superposición en el que el cubit se encuentra de forma simultánea en ambos estados (direcciones de movimiento). El cubit se modela como un pozo de potencial doble (como una letra “W”) y cada estado corresponde a uno de los pozos, que están separado entre sí por una barrera. La mecánica cuántica permite la superposición de ambos estados, como si el cubit estuviera simultáneamente en ambos pozos de potencial. Una ristra de 8 cubits se comporta como un sistema que puede estar en 256 estados superpuestos, 256 estados posibles simultáneos.

La gran crítica a la empresa D-Wave ha sido la dificultad de diferenciar entre un “recocido clásico” y un “recocido cuántico.” Johnson et al . han logrado demostrar que su sistema (enfriado a 45 milikelvin) alcanza un estado estacionario cuyo comportamiento evidencia la existencia de un efecto túnel cuántico entre los posible estados de su sistema que es imposible que se dé si su sistema no logra entrelazar los 8 cubits. Los resultados experimentales obtenidos corresponden a los esperados según las simulaciones (en ordenadores clásicos) de este sistema (estas simulaciones requieren millones de horas de procesamiento en un ordenador tipo PC). Los resultados del experimento demuestran de forma clara que el registro de 8 cubits (que podríamos llamar cubyte) se comporta como debería comportarse.

Por supuesto, publicar en Nature la demostración de que un concepto arriesgado como la computación cuántica adiabática funciona con 8 cubits no implica que la implementación del mismo concepto con 128 cubits o más también funcione. Aún así, se trata de un gran logro técnico cuya importancia real será decidida en los próximos años conforme el número de cubits crezca.

La gran apuesta de D-Wave es extrapolar un concepto teórico que podría funcionar con la fe de que acabará funcionando. Demostrar que realmente funciona es mucho más difícil que construir el computador adiabático de forma experimental. Primero lo hago y luego me preocupo de demostrar que lo he hecho. Una opción práctica en un contexto industrial (una compañía privada) pero con poco futuro en un contexto académico (nadie financiará una utopía). Confieso que tengo serias dudas sobre si D-Wave acabará logrando lo que pretenden, pero me encanta que le hayan echado huevos…

Una nueva memoria cuántica para un cubit fotónico que utiliza un solo átomo de rubidio

Los ordenadores cuánticos y las redes de comunicaciones cuánticas requieren el desarrollo de memorias capaces de almacenar los cubits cuánticos durante un tiempo largo (comparado con el tiempo de decoherencia típico). Un nuevo dispositivo para el almacenamiento de cubits fotónicos ha permitido el almacenamiento de un cubit en un único átomo de rubidio-87 durante 184 microsegundos (un tiempo muy largo comparado con logros previos), con una fidelidad en la recuperación de la información del 93% (similar a la de trabajos previos) y con un rendimiento global de casi el 10% (también similar a logros anteriores). El cubit se implementa gracias a la polarización de un fotón y se almacena en una trampa óptica que contiene el átomo preparado de forma adecuada. Los autores del artículo han demostrado que la nueva memoria permite la medición cuántica del estado del cubit sin provocar la demolición de su estado. Los autores afirman en su artículo que la transferencia del estado del cubit fotónico a un átomo permitirá implementar nuevos esquemas de entrelazamiento entre cubits atómicos remotos: dos átomos quedarán entrelazados si el primer átomo emite un fotón que es almacenado en otro átomo que actúa como memoria (aunque aún no han logrado demostrar que este procedimiento funcione). El artículo técnico es Holger P. Specht et al, “A single-atom quantum memory,” Nature, Published online 01 May 2011.

En la figura que abre esta entrada observamos la nueva propuesta de memoria cuántica para un cubit fotónico. Un solo átomo (1) se encuentra atrapado en el centro de una cavidad óptica (2) formada por dos espejos troncocónicos (en la figura en color azul) gracias a un láser que crea un campo dipolar (en color verde en la figura). Para almacenar un cubit óptico en este átomo se hace incidir de forma simultánea un pulso láser de prueba (3) con un estado arbitrario de polarización (en color azul en la figura) junto al fotón (4) cuya información (polarización) cuántica va a ser almacenada (flecha roja en la figura). Una vez escrita la memoria, se elimina el láser de prueba (en color azul) y el cubit queda almacenado. Para la lectura se vuelve a incidir con la luz láser de prueba (5) y el átomo almacenado emite un fotón que recupera la información cuántica almacenada en el átomo.

Físicos británicos logran entrelazar 10 mil millones de pares de cubits en un cristal de silicio ultrapuro

Un equipo de investigadores de la Universidad de Oxford, Reino Unido, han logrado entrelazar de forma simultánea 10.000.000.000 pares de cubits (bits cuánticos) en un cristal de silicio. El siguiente paso será entrelazar estos pares de cubits entre sí para formar un ordenador cuántico masivo. Si lo logran en los próximo años habrán dado un paso de gigante hacia los ordenadores cuánticos integrados con tecnología de estado sólido. No parece fácil, pero tampoco imposible. Nos lo ha contado Eugenie Samuel Reich, “Silicon quantum computer a possibility,” News, Nature, Published online 19 January 2011, haciéndose eco del artículo técnico de Stephanie Simmons et al., “Entanglement in a solid-state spin ensemble,” Nature, Published online19 January 2011. 

Los computadores cuánticos utilizan cubits en lugar de los bits utilizados por los ordenadores convencionales. Un cubit es más poderoso que un bit porque corresponde a dos números reales en lugar de solo dos dígitos binarios {0,1}. Estos números reales representan el estado de superposición cuántico α|0>+β|1> (aunque α y β son números complejos, con cuatro componentes reales, el cubit siempre se puede representar como un punto en una esfera, caracterizado por dos ángulos, latitud y longitud). El secreto de los computadores cuánticos, por el cual son más poderosos en ciertas tareas que los computadores clásicos, es la posibilidad de entrelazar diferentes cubits entre sí durante la ejecución de un cómputo. El gran problema de los computadores cuánticos es que estos estados entrelazados son muy inestables y se destruyen fácilmente (la famosa decoherencia cuántica). El récord del ordenador cuántico con un mayor número de cubits entrelazados hasta hoy es solo de 12 cubits. Muy pocos para que sea de ninguna utilidad práctica (la mayoría de las aplicaciones prácticas requieren más de 1 millón de cubits entrelazados).

Stephanie Simmons, su director de tesis John Morton, y otros colegas, han logrado entrelazar 10 mil millones de pares de cubits almacenados en los estados cuánticos de átomos de fósforo incrustados en un cristal de silicio enfriado a 2’9 Kelvin. Han entrelazado el espín del núcleo de los átomos de fósforo con el espín de uno de los electrones que los orbita. Ahora el problema que tendrán que resolver los investigadores es como entrelazar estos átomos de fósforo entre sí. No parece fácil, pero Morton cree que no es imposible con las tecnologías actuales.

La gran ventaja de usar tecnologías de estado sólido (silicio dopado con fósforo) para implementar un computador cuántico es la gran versatilidad de esta tecnología y su posible compatibilidad con la utilizada en los computadores convencionales. El gran inconveniente es que el silicio ultrapuro utilizado (isótopo 28 Si) no tiene nada que ver con el silicio que se usa para los chips en microelectrónica. Cualquier rastro del isótopo 29 Si, que es magnético, destruiría el entrelazamiento de los cubits.

El “jefe” (Morton) afirma que serán necesarios entre 3 y 5 cinco años de investigación para lograr entrelazar los átomos de fósforo entre sí en el cristal de silicio. La tecnología para controlar uno a uno los átomos de fósforo parece asequible, pero aún no se sabe cuántos átomos de fósforo lograrán entrelazar entre sí.

Aún así, la esperanza es lo último que se pierde y la tecnología de los computadores cuánticos avanza lenta pero segura hacia la gloria. El siglo XXI promete ser el siglo de los computadores cuánticos para aplicaciones de propósito específico. Lo que no sé es si yo llegaré a verlo, o será cosa de mis nietos.

Ordenadores cuánticos protegidos por capas de invisibilidad espaciotemporales

Un ordenador cuántico es un dispositivo muy frágil. Cualquier observación accidental de sus estados entrelazados, provoca la destrucción de éstos y la parada brusca del algoritmo cuántico en ejecución. ¿Podría encerrarse un ordenador cuántico en una capa de invisibilidad que lo protegiera de observaciones accidentales? Esta es la propuesta de Ortwin Hess, investigador en metamateriales de la Universidad de Surrey, en Guildford, GB. Si se pudiera diseñar una capa de invisibilidad espaciotemporal se podrían proteger los frágiles estados de un ordenador cuántico mientras está operando. Así el algoritmo cuántico podría dar un mayor número de pasos. ¿Se puede diseñar una capa de invisibilidad espaciotemporal? Martin W. McCall (Imperial College, Londres, GB), y sus colegas, presentan la teoría que permitirá desarrollar estas capas de invisibilidad en espacio y tiempo (figura que abre esta entrada). Para engañar al tiempo se utiliza una metamaterial que cambia el índice de refracción de la luz de forma continua; en el frente del pulso luminoso la luz es acelerada, mientras en su estela es retardada, con lo que se crea un “agujero” temporal, un vacío en el que no habrá luz durante cierto tiempo. Esta región del espaciotiempo está protegida, es invisible para cualquier perturbación del entorno. La idea se ha publicado en el artículo Martin W. McCall, Alberto Favaro, Paul Kinsler, Allan Boardman, “A spacetime cloak, or a history editor,” Journal of Optics 13: 024003, 16 November 2010 [ahora mismo el artículo es gratis, previo registro; lo será durante un mes]. Nos lo han contado Zeeya Merali, “Space–time cloak could hide events. Proposed device could edit actions out of history,” News, Nature, Published online 16 November 2010, y “Spacetime cloak to conceal events revealed in new study,” Nanowerk News, Nov 16th, 2010 [este artículo incluye una animación explicativa utilizando coches en una carretera que puede ayudar a algunos lectores]. Por cierto, a los interesados en trabajar en estos temas, la teoría todavía no ha sido “demostrada” mediante simulaciones numéricas. El siguiente artículo de revisión de John Brian Pendry y sus colegas (ver figura más abajo) puede ser un buen punto de partida: Yaroslav A Urzhumov, Nathan B Kundtz, David R Smith, John B Pendry,  ”Cross-section comparisons of cloaks designed by transformation optical and optical conformal mapping approaches,”  Journal of Optics, 13: 024002, 16 November 2010

Logran entrelazar tres cubits superconductores de alta calidad

 

Fabricar un buen cubit con tecnologías de estado sólido que se entrelace bien con otro cubit no es fácil. Lograr que lo haga con otros dos es un logro que merece ser publicado en Nature. Matthew Neeley (Universidad de California, Santa Bárbara, EE.UU.) y sus colegas lo han logrado gracias a un circuito de cuatro cubits superconductores. Aunque aún no han logrado entrelazar los cuatro cubits, ellos afirman que su tecnología es escalable y podrá ser escalada en un futuro no muy lejano (habrá que esperar hasta entonces para ver hasta dónde). Cuando a uno le dicen que los ordenadores cuánticos son capaces de factorizar 15 = 3 × 5, uno se sonríe, pero hay que recordar que el objetivo actual es obtener buenos cubits con una tecnología que permita entrelazarlos a voluntad y que parezca escalable. Una vez tengamos cubits con estas propiedades el problema de añadir uno a uno más cubits no debería ofrecer muchas dificultades intrínsecas. Eso sí, obtener un buen cubit con tecnologías de estado sólido no es nada fácil, pero nada fácil. Neeley no es el único que publica hoy en Nature un buen cubit entrelazable, Rob Schoelkopf (Universidad de Yale, Connecticut, EE.UU.) y sus colegas también ha logrado entrelazar tres cubits superconductores de alta calidad. Ha logrado un estado especial llamado de GHZ (por Greenberger-Horne-Zeilinger). Son dos grandes avances, pero hay que recordar que con tres cubits se pueden hacer muy poquitas cosas en computación cuántica (casi lo mismo que con tres bits en la clásica). El desafío ahora es lograr añadir, uno a uno, más cubits de gran calidad que se puedan entrelazar entre sí. El progreso no será fácil, pero los avances son lentos pero seguros. Nos lo cuenta Eugenie Samuel Reich, “Quantum computers move a step closer. Successes at entangling three-circuit systems brighten the prospects for solid-state quantum computing,” News, Nature 467: 513, 30 September 2010, haciéndose eco de los artículos técnicos de Matthew Neeley et al., “Generation of three-qubit entangled states using superconducting phase qubits,” Nature 467: 570–573, 30 September 2010, y Leonardo DiCarlo et al., “Preparation and measurement of three-qubit entanglement in a superconducting circuit,” Nature 467: 574–578, 30 September 2010.