Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han "enredado" o vinculado las propiedades de hasta 219 iones de berilio átomos cargados para crear un simulador cuántico. El simulador está diseñado para modelar e imitar fenómenos físicos complejos.de una manera que es imposible con las máquinas convencionales, incluso las supercomputadoras. Las técnicas también podrían ayudar a mejorar los relojes atómicos.
El nuevo sistema NIST puede generar entrelazamiento cuántico en aproximadamente 10 veces más iones que cualquier simulador anterior basado en iones, una ampliación que es crucial para aplicaciones prácticas. El comportamiento de los iones enredados girando en un cristal plano de solo 1 milímetrode diámetro también se puede adaptar o controlar en mayor grado que antes.
Descrito en la edición del 10 de junio de 2016 de ciencia , el último simulador de NIST mejora la versión 2012 del mismo grupo de investigación al eliminar la mayoría de los errores e inestabilidades del sistema anterior, que pueden destruir los efectos cuánticos frágiles.
"Aquí tenemos una prueba clara e indiscutible de que los iones están enredados", dijo el investigador postdoctoral NIST Justin Bohnet. "Lo que enreda representa en este caso es un recurso útil para otra cosa, como la simulación cuántica o para mejorar una medición en un reloj atómico""
En el simulador cuántico NIST, los iones actúan como bits cuánticos qubits para almacenar información. Los iones atrapados son naturalmente adecuados para estudios de fenómenos de física cuántica como el magnetismo.
Los simuladores cuánticos también pueden ayudar a estudiar problemas tales como cómo comenzó el universo, cómo diseñar tecnologías novedosas por ejemplo, superconductores a temperatura ambiente o motores de calor a escala atómica, o acelerar el desarrollo de computadoras cuánticas. Según las definiciones utilizadas enEn la comunidad de investigación, los simuladores cuánticos están diseñados para modelar procesos cuánticos específicos, mientras que las computadoras cuánticas son universalmente aplicables a cualquier cálculo deseado.
Los simuladores cuánticos con cientos de qubits se han hecho de otros materiales, como átomos y moléculas neutrales. Pero los iones atrapados ofrecen ventajas únicas, como la preparación y detección confiables de estados cuánticos, estados de larga vida y acoplamientos fuertes entre qubits en una variedadde distancias
Además de probar el enredo, el equipo del NIST también desarrolló la capacidad de hacer cristales de iones enredados de diferentes tamaños, que van desde 20 qubits hasta cientos. Incluso un ligero aumento en el número de partículas hace que las simulaciones sean exponencialmente más complejas para programar yEl equipo de NIST está especialmente interesado en modelar sistemas cuánticos de tamaños justo más allá del poder de procesamiento clásico de las computadoras convencionales.
"Una vez que llega a 30 a 40 partículas, ciertas simulaciones se vuelven difíciles", dijo Bohnet. "Ese es el número en el que las simulaciones clásicas completas comienzan a fallar. Verificamos que nuestro simulador funciona con un pequeño número de iones, luego apuntamos al dulceen este rango medio para hacer simulaciones que desafíen las simulaciones clásicas. Mejorar el control también nos permite imitar más perfectamente el sistema del que queremos que nuestro simulador nos cuente ".
Los cristales de iones se mantienen dentro de una trampa Penning, que confina partículas cargadas mediante el uso de campos magnéticos y eléctricos. Los iones forman naturalmente patrones triangulares, útiles para estudiar ciertos tipos de magnetismo. NIST es el único laboratorio en el mundo que generamatrices bidimensionales de más de 100 iones. Basado en las lecciones aprendidas en el experimento de 2012, los investigadores del NIST diseñaron y ensamblaron una nueva trampa para generar interacciones más fuertes y rápidas entre los iones. La fuerza de interacción es la misma para todos los iones en el cristal,independientemente de las distancias entre ellos.
Los investigadores utilizaron láseres con control mejorado de posición e intensidad, y campos magnéticos más estables, para diseñar cierta dinámica en el "giro" de los electrones de los iones. Los iones pueden girar a menudo se imagina como una flecha apuntando hacia arriba, girarhacia abajo, o ambos al mismo tiempo, un estado cuántico llamado superposición. En los experimentos, todos los iones están inicialmente en superposiciones independientes pero no se comunican entre sí. A medida que los iones interactúan, sus giros se transforman colectivamente en un enredadoestado que involucra la mayoría o la totalidad del cristal completo.
Los investigadores detectaron el estado de rotación en función de cuánto fluorescen los iones o de la luz láser dispersa. Cuando se miden, los iones desenredados colapsan de una superposición a un estado de rotación simple, creando ruido o fluctuaciones aleatorias, en los resultados medidos. Los iones enredados colapsanjuntos cuando se miden, reduciendo el ruido de detección.
De manera crucial, los investigadores midieron un nivel suficiente de reducción de ruido para verificar el enredo, resultados que coincidieron con las predicciones teóricas. Este tipo de enredo se denomina exprimido por rotación porque exprime elimina el ruido de una señal de medición objetivo y lo mueve a otro, aspecto menos importante del sistema. Las técnicas utilizadas en el simulador podrían algún día contribuir al desarrollo de relojes atómicos basados en grandes cantidades de iones los diseños actuales usan uno o dos iones.
"La reducción en el ruido cuántico es lo que hace que esta forma de enredamiento sea útil para mejorar los relojes iónicos y atómicos", dijo Bohnet. "Aquí, apretar los giros confirma que el simulador está funcionando correctamente, porque produce las fluctuaciones cuánticas que estamos buscando""
El trabajo fue financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación del Ejército y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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