Físicos & # 039; teletransporte & # 039; Operación lógica entre iones separados

La teleportación cuántica transfiere datos de un sistema cuántico (como un ion) a otro (como un segundo ion), incluso si los dos están completamente aislados entre sí, como dos libros en los sótanos de edificios separados. En esta forma real de teletransportación, solo la información cuántica, no la materia, se transporta, a diferencia de la versión de Star Trek de "transmitir" seres humanos completos, por ejemplo, de una nave espacial a un planeta.

La teletransportación de datos cuánticos se ha demostrado previamente con iones y una variedad de otros sistemas cuánticos. Pero el nuevo trabajo es el primero en teletransportar una operación de lógica cuántica completa utilizando iones, un candidato líder para la arquitectura de las futuras computadoras cuánticas. Los experimentos se describen en la edición del 31 de mayo de Ciencia.

"Verificamos que nuestra operación lógica funciona en todos los estados de entrada de dos bits cuánticos con 85 a 87% de probabilidad, lejos de ser perfecta, pero es un comienzo", dijo el físico Dietrich Leibfried del NIST.

Una computadora cuántica a gran escala, si se puede construir una, podría resolver ciertos problemas que actualmente son intratables. NIST ha contribuido a los esfuerzos de investigación global para aprovechar el comportamiento cuántico de las tecnologías prácticas, incluidos los esfuerzos para construir computadoras cuánticas.

Para que las computadoras cuánticas funcionen como se espera, es probable que necesiten millones de bits cuánticos o "qubits", así como formas de realizar operaciones entre qubits distribuidos en máquinas y redes a gran escala. La teletransportación de las operaciones lógicas es una forma de hacerlo sin conexiones mecánicas cuánticas directas (todavía se necesitarán conexiones físicas para el intercambio de información clásica).

El equipo del NIST teletransportó una operación lógica de control cuantitativo-NO (CNOT), o compuerta lógica, entre dos qubits de iones de berilio ubicados a más de 340 micrómetros (millonésimas de metro) en zonas separadas de una trampa de iones, una distancia que descarta cualquier interacción directa sustancial. Una operación CNOT cambia el segundo qubit de 0 a 1, o viceversa, solo si el primer qubit es 1; no pasa nada si el primer qubit es 0. En la forma cuántica típica, ambos qubits pueden estar en "superposiciones" en las que tienen valores de 1 y 0 al mismo tiempo.

El proceso de teletransportación del NIST se basa en el entrelazamiento, que enlaza las propiedades cuánticas de las partículas incluso cuando están separadas. Se utiliza un par "mensajero" de iones de magnesio enredados para transferir información entre los iones de berilio (ver infografía).

El equipo de NIST descubrió que su proceso CNOT teletransportado enredó los dos iones de magnesio, un paso inicial crucial, con una tasa de éxito del 95%, mientras que la operación lógica completa tuvo éxito del 85% al ​​87% del tiempo.

"La teletransportación de la puerta nos permite realizar una puerta de lógica cuántica entre dos iones que están separados espacialmente y que tal vez nunca hayan interactuado antes", dijo Leibfried. "El truco es que cada uno tiene un ion de otro par enredado a su lado, y este recurso de enredo, distribuido por delante de la puerta, nos permite hacer un truco cuántico que no tiene una contraparte clásica".

"Los pares de mensajeros enredados podrían producirse en una parte dedicada de la computadora y enviarse por separado a los qubits que necesitan conectarse con una puerta lógica pero que se encuentran en ubicaciones remotas", agregó Leibfried.

El trabajo del NIST también integró en un solo experimento, por primera vez, varias operaciones que serán esenciales para construir computadoras cuánticas a gran escala basadas en iones, incluido el control de diferentes tipos de iones, transporte de iones y operaciones de enredo en subconjuntos seleccionados de el sistema.

Para verificar que realizaron una puerta CNOT, los investigadores prepararon el primer qubit en 16 combinaciones diferentes de estados de entrada y luego midieron las salidas en el segundo qubit. Esto produjo una "tabla de verdad" cuántica generalizada que muestra el proceso trabajado.

Además de generar una tabla de verdad, los investigadores verificaron la consistencia de los datos durante los tiempos de ejecución extendidos para ayudar a identificar las fuentes de error en la configuración experimental. Se espera que esta técnica sea una herramienta importante para caracterizar los procesos de información cuántica en experimentos futuros.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina del Director de Inteligencia Nacional, la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia y la Oficina de Investigación Naval.