Las computadoras cuánticas, cada vez más cerca

domingo, 22 de agosto de 2010
Distribución atómica de un gas cuántico ultrafrío colocado en un cristal de dos dimensiones de luz.
Crédito: Stefan Kuhr e Immanuel Bloch, Max Planck Institute for Quantum Optics

Físicos alemanes, mediante imágenes fluorescentes pudieron identificar las partículas individuales en una red óptica, por primera vez. Este descubrimiento podría permitir a los investigadores a crear simulaciones más avanzadas de los fenómenos cuánticos y podría ayudar en la búsqueda de la computación cuántica práctica.

Las redes ópticas son arreglos regulares de 'pozos' de energía creados por el cruce de rayos láser. Mediante la inyección de átomos ultrafríos, las celdas se pueden utilizar para crear y estudiar réplicas a gran escalas de los sistemas cuánticos.

En esta investigación, Stefan Kuhr e Immanuel Bloch del Max Planck Institute of Quantum Optics en Garching, en conjunto con el Ludwig-Maximilians University en Munich, crearon una celda óptica para contener un tipo de gas ultrafrío conocido como el Condensado Bose-Einstein (BEC). Estos son formados cuando átomos idénticos con el 'spin' íntegro son enfriados hasta que todos los átomos están en el mismo estado cuántico, es decir, se comportan como si fueran una sola partícula cuántica.

El equipo de Kuhr creó este BEC enfriando varios miles de átomos de rubidio-87, cerca del cero absoluto, y posteriormente configuró la red óptica para formar una serie de zonas claras y oscuras. Debido a los niveles de energía, lo más probable es que los átomos de rubidio se establezcan en las zonas oscuras, y para saltar al 'sitio vecino', cada átomo tendría que superar una barrera de energía significativa. Esta configuración se conoce como el aislante Mott (Denominada así en honor de Sir Neville Mott), porque se parece a un sólido en el que los electrones de conducción están localizados, debido a las fuertes interacciones entre los átomos.

De acuerdo a la teoría, el número de átomos varía entre las celdas en un BEC. En el caso del aislante Mott, se cree que al acercarse a un valor fijo a temperaturas muy bajas (Cercanas a 0K), el número puede predecirse con los átomos dispuestos regularmente en cada sitio de red. El equipo de Kuhr ha sido capaz de observar directamente este comportamiento en un experimento por primera vez.

Regularmente enfrían átomos con rayos láser en los sistemas de óptica cuántica, pero la clave fue 'disparar' pulsos láser al sistema y entonces detectar directamente los átomos utilizando un microscopio de alta resolución especialmente diseñado que colecta los fotones fluorescentes de los átomos cuando se enfrían. Fue con esta técnica que los investigadores fueron capaces de contar átomos simples en cada celda individual, un resultado sensacional y un requisito previo para el uso de estos sistemas como los registros cuánticos con bits cuánticos dirigidos de forma individual, en las futuras computadoras cuánticas.

Un aislante Mott con un átomo por celda representa un candidato muy prometedor para un registro cuántico de hasta unos pocos cientos de bits cuánticos. Sin embargo, se tiene que demostrar que en realidad, se  tiene la capacidad de manipular cada átomo individual en la estructura. Esto es crucial para la codificación y lectura de 'qubits' y podríamos estar al principio de la creación de los primeros experimentos de este tipo.

Estos estudios no sólo podrían conducir a ordenadores cuánticos, sino que también podrían ayudar a desarrollar modelos fundamentales de la física de materia condensada, puesto que los átomos en una red óptica son análogos a los electrones en un cristal de estado sólido. Estas investigaciones podrían ayudar en la comprensión de los fenómenos magnéticos y eléctricos inusuales, como la superconductividad de alta temperatura.

Las computadoras cuánticas obtienen su velocidad por el hecho de que sus componentes pueden ocupar una serie de 'estados' en lugar de sólo dos como las computadoras binarias. Con los algoritmos adecuados se pueden explotar estos estados cuánticos para resolver problemas que puedan 'frustar' a una computadora convencional.

Para Saber Más:

Jacob F. Sherson, Christof Weitenberg, Manuel Endres, Marc Cheneau, Immanuel Bloch & Stefan Kuhr

Waseem S. Bakr, Jonathon I. Gillen, Amy Peng, Simon Fölling, Markus Greiner

Max Planck Intitut Für Quantenoptik

Michael Karski, Leonid Förster, Jai-Min Choi, Andreas Steffen, Noomen Belmechri, Wolfgang Alt, Dieter Meschede & Artur Widera

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