Crean una memoria cuántica de un solo átomo

En un futuro, los ordenadores cuánticos serán capaces de hacer frente en un instante a tareas computacionales en las que los ordenadores de hoy en día emplearían años. Las computadoras del mañana desarrollarán su enorme potencia de cálculo a partir de su capacidad para procesar simultáneamente las diversas piezas de información que se almacenan en el estado cuántico de los sistemas físicos elementales, como átomos y fotones.

Pero para tener semejante capacidad de operación, las computadoras cuánticas deberán intercambiar estas piezas de información entre sus componentes individuales. Los fotones son especialmente adecuados para ello, mientras que las partículas de materia se utilizarán para el almacenamiento y el procesamiento de la información.

En la actualidad, los investigadores están buscando métodos que permitan intercambiar información cuántica entre fotones y materia. Aunque esto ya se ha experimentado con conjuntos de muchos miles de átomos, un equipo de físicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching (Alemania) ha demostrado ahora que la información cuántica también se puede intercambiar entre átomos y fotones de una forma controlada, informa un comunicado de la revista Nature.

“El uso de un solo átomo como unidad de almacenamiento tiene varias ventajas. La miniaturización extrema es sólo una de ellas”, advierte Holger Specht, uno de los científicos del Instituto Max Planck involucrados en el estudio. La información almacenada puede ser procesada manipulando directamente el átomo, lo que resulta 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 el estado cuántico», añade Specht. Esto permite determinar en una fase temprana si un proceso de cálculo debe repetirse debido a un error de almacenamiento.

El hecho de que, hasta hace muy poco, nadie hubiera logrado el intercambio de información cuántica entre fotones y átomos individuales se debe a que la interacción entre las partículas de luz y los átomos es muy débil. Para comprenderlo fácilmente, los investigadores ponen el siguiente ejemplo en el comunicado: “es como si los átomos y los fotones no se percatasen mucho el uno del otro, como si dos invitados a una fiesta apenas hablasen entre sí y, por lo tanto, sólo intercambiasen una cantidad mínima de información”.

El truco está en la interacción entre átomos y fotones

Para mejorar esta interacción, los científicos de Garching utilizaron un truco: Colocaron un átomo de rubidio entre los espejos de un resonador óptico, y utilizaron un láser muy débil para introducir fotones individuales en el resonador. Los espejos del resonador reflejaron los fotones varias veces, lo que mejoró la interacción entre fotones y átomos. Siguiendo el ejemplo anterior, ahora los invitados se ven con más frecuencia, lo que incrementa las posibilidades de que se comuniquen.

Los fotones llevaron la información cuántica en la forma de su polarización. Esto puede ser zurdo, es decir cuando la dirección de la rotación del campo eléctrico es hacia la izquierda, o diestro, cuando la rotación se produce en el sentido de las agujas del reloj. El estado cuántico del fotón puede contener ambas polarizaciones simultáneamente en lo que se denomina un estado de superposición.

En la interacción con el fotón, el átomo de rubidio suele excitarse y luego perder esa excitación por medio de la emisión de un fotón más. Pero eso era precisamente lo que los investigadores no querían que sucediera. Por el contrario, la absorción del fotón estaba pensada para llevar al átomo de rubidio a un estado cuántico definido, estable. Los investigadores lo lograron gracias a la ayuda de un haz de láser más, el denominado láser de control, que se hizo incidir sobre el átomo de rubidio al mismo tiempo que éste interactuaba con el fotón.

La orientación del espín del átomo contribuye decisivamente a un estado cuántico estable generado por el control del láser y el fotón. El espín da al átomo un momento magnético. El estado cuántico estable, lo que los investigadores utilizan para el almacenamiento, viene determinado por lo tanto 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 almacenadas por una mezcla correspondiente de los 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 se vuelva a emitir el fotón. En la gran mayoría de los casos, la información cuántica leída en los fotones coincidió así con la información almacenada originalmente, descubrieron los físicos de Garching.

Resultados

La cantidad que describe esta relación, llamada de fidelidad, fue superior al 90%. Esto es significativamente mayor que la fidelidad del 67% que se puede lograr con los métodos clásicos, es decir, aquéllos que no se basan en efectos cuánticos. Por tanto, el método desarrollado en Garching constituye una memoria cuántica real.

Por otra parte, los físicos midieron el tiempo de almacenamiento, es decir, el tiempo en el que se puede conservar la información cuántica en el rubidio, y el resultado fue de alrededor de 180 microsegundos.

«Esto es comparable con los tiempos de almacenamiento de todas las memorias cuánticas anteriores basadas en conjuntos de átomos», señala Stephan Ritter, otro investigador involucrado en el experimento. Sin embargo, sería necesario un tiempo de almacenamiento significativamente más largo para que el método se pudiese utilizar en un ordenador o en una red cuántica.

Además, existe otra característica que tiene que ver con la calidad de la memoria cuántica de un solo átomo que se podría mejorar: la llamada eficiencia. Se trata de medir cómo muchos de los fotones irradiados se almacenan y luego se pueden volver a leer. En este caso, los resultados positivos fueron inferiores al 10%.

En opinión de Ritter, “los límites en el tiempo de almacenamiento se deben principalmente a las fluctuaciones del campo magnético del entorno del laboratorio. Por lo tanto, se podría incrementar mediante el almacenamiento de la información cuántica en átomos que sean insensibles a los campos magnéticos».

Por otra parte, la eficacia está limitada por el hecho de que el átomo no se mantiene quieto en el centro del resonador. Esto hace que la fuerza de la interacción entre átomos y fotones disminuya. En este caso, los investigadores podrían mejorar la eficiencia mediante una mayor refrigeración del átomo, es decir, reduciendo aún más su energía cinética.

El equipo de científicos del Instituto Max Planck en Garching ya está trabajando en estas dos mejoras. «Si esto tiene éxito, las perspectivas de la memoria cuántica de un solo átomo serían excelentes», vaticina Stephan Ritter.