Resumen:
Un equipo de investigación científica internacional propuso recientemente un nuevo método de lectura de información cuántica, que se espera obtenga el estado del qubit sin perturbar significativamente el sistema cuántico, proporcionando un camino técnico más eficiente para el monitoreo y control de futuras computadoras cuánticas. La investigación muestra que un tipo de dispositivo cuántico llamado "Andreev qubits" puede exponer su estado interno a través de la señal actual que genera, reduciendo así la destrucción de información cuántica durante las mediciones tradicionales.
En las computadoras clásicas, los bits solo pueden asumir dos estados: 0 o 1. Sin embargo, los qubits en la computación cuántica no solo pueden representar 0 y 1, sino que también pueden estar en un estado cuántico formado por la superposición de los dos. Es esta característica la que hace que se espere que las computadoras cuánticas superen con creces a las tradicionales en tareas específicas. Pero al mismo tiempo, los estados cuánticos son extremadamente frágiles y tanto la interferencia ambiental como el propio acto de medición pueden cambiar su estado y provocar pérdida de información.
Esta investigación se centra en los qubits de Andreev. Estos qubits se basan en estados cuánticos especiales formados entre materiales superconductores. El sistema diseñado por el equipo de investigación consiste en un nanocables de arseniuro de indio extremadamente delgado. Los dos extremos del nanocable están conectados a materiales superconductores y se forma un punto cuántico en el medio para limitar el espacio de actividad de los electrones. En este entorno microscópico se forma el estado del qubit de Andreev.
José Carlos Egues, uno de los líderes de la investigación y profesor del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo en Brasil, dijo que bajo el marco de la mecánica cuántica tradicional, la medición directa de los qubits a menudo hace que colapsen en un cierto estado, destruyendo así la información originalmente conservada. Por lo tanto, muchas soluciones de computación cuántica actuales introducirán qubits auxiliares como "intermediarios" para transferir primero información a los qubits auxiliares y luego medir estos últimos para minimizar el impacto en los qubits objetivo.
Sin embargo, este método requiere equipos y pasos operativos adicionales, lo que aumenta la complejidad del sistema. El equipo de investigación propuso una idea diferente, que consiste en utilizar directamente la señal generada por el propio qubit objetivo para leer información sin recurrir a qubits auxiliares.
Según los cálculos teóricos, el qubit se coloca en un circuito superconductor cerrado y hay una supercorriente que fluye sin resistencia en el circuito. La investigación ha descubierto que cuando los qubits están en un estado de superposición, la interferencia cuántica entre diferentes estados hace que algunas supercorrientes produzcan oscilaciones periódicas. Esta señal oscilante es la clave para que los investigadores obtengan información cuántica.
Normalmente, este tipo de fenómeno de oscilación requiere la aplicación de voltaje para producirse, que es el famoso efecto AC Josephson. El sistema propuesto en este estudio no requiere voltaje externo y la oscilación se deriva completamente del proceso de evolución del propio estado del qubit. Esto significa que el qubit "liberará" activamente su propia información de estado.
Para detectar esta señal débil, los investigadores diseñaron y utilizaron SQUID (interferómetro cuántico superconductor) como dispositivo de lectura. SQUID es capaz de detectar cambios de campo magnético extremadamente débiles. El equipo de investigación afirmó vívidamente que el qubit y el SQUID pueden considerarse como dos brújulas cercanas entre sí. La corriente en el qubit generará un campo magnético y el SQUID detectará este cambio en el campo magnético. Dado que el acoplamiento entre ambos es extremadamente débil, la perturbación producida por el dispositivo de medición en el propio qubit también es muy limitada.
Un análisis más detallado reveló que toda la información clave sobre el estado del qubit estaba codificada en la supercorriente. La supercorriente contiene una parte constante y una parte oscilante. El valor de corriente constante y la amplitud de la oscilación pueden revelar la proporción de 0 y 1 en el estado cuántico, mientras que el momento en que comienza la oscilación refleja la relación de fase entre los dos estados. Al registrar cómo cambia la corriente con el tiempo, los investigadores pudieron reconstruir el estado cuántico original del qubit.
Este enfoque también tiene la importante ventaja de permitir a los investigadores realizar un seguimiento continuo de la evolución de los qubits sin tener que reinicializarlos después de cada medición, lo que facilita la observación del comportamiento dinámico de los sistemas cuánticos.
El equipo de investigación añadió factores realistas, como el ruido de medición y la retroalimentación de la bobina de detección, al experimento de simulación. Los resultados muestran que la precisión de la medición puede alcanzar el 99,52%, 99,81% y 99,85% respectivamente, dependiendo del número de mediciones. Estos indicadores han alcanzado los requisitos de precisión comúnmente utilizados en la tecnología actual de corrección de errores cuánticos.
Los investigadores señalaron que esta solución no resuelve fundamentalmente el problema básico del inevitable impacto de las mediciones cuánticas, pero puede reducir este impacto a un nivel muy bajo y al mismo tiempo eliminar la dependencia de qubits auxiliares en las soluciones tradicionales de medición no destructivas.
Este estudio fue completado conjuntamente por investigadores de la Universidad de São Paulo en Brasil y el Instituto de Tecnología de Beijing en China. Los resultados relevantes se han publicado en "Physical Review B". El equipo de investigación afirmó que la tecnología SQUID utilizada para detectar corrientes ultradébiles y campos magnéticos ya está bastante madura, por lo que no hay necesidad de esperar a que aparezcan nuevos materiales o avances en la tecnología de fabricación para implementar esta solución. Todos los parámetros utilizados en el estudio se derivan de sistemas reales. Lo único que no se ha construido realmente es la estructura específica del dispositivo y el diseño experimental propuesto por el equipo de investigación.
Los investigadores creen que, siempre que se complete la verificación experimental correspondiente, se espera que este nuevo método de lectura de información cuántica a través de la supercorriente del propio qubit se convierta en una base técnica importante para que las futuras computadoras cuánticas logren un monitoreo de alta precisión y baja interferencia.
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