Resumen:
El equipo de investigación del Sexto Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart en Alemania anunció que ha establecido tres récords mundiales al mismo tiempo en un sistema cuántico especial llamado "átomo circular de Rydberg", incluyendo vida atómica, tamaño atómico y tiempo de retención en una trampa láser. Los investigadores creen que se espera que este avance promueva el desarrollo de simuladores cuánticos de alto rendimiento y siente las bases para construir computadoras cuánticas más potentes en el futuro.
Los simuladores cuánticos pueden reproducir el comportamiento de sistemas cuánticos complejos en un entorno controlado y son una plataforma importante para explorar nuevos fenómenos cuánticos y verificar la tecnología de computación cuántica. Los átomos de Rydberg han sido considerados durante mucho tiempo como unidades candidatas prometedoras en los campos de la simulación cuántica y la computación cuántica. Sin embargo, son extremadamente sensibles al entorno que los rodea y, a menudo, sólo pueden permanecer estables durante un tiempo muy corto. Esto también se ha convertido en uno de los obstáculos clave que limitan el desarrollo de tecnologías relacionadas.
Tilman Pfau, jefe del equipo de investigación, dijo que mejorar la estabilidad de los átomos de Rydberg siempre ha sido un desafío central en el desarrollo de simuladores cuánticos de alto rendimiento. El equipo aumentó con éxito el tiempo de estabilidad atómica hasta 20 veces el nivel anterior, creando condiciones más favorables para aplicaciones posteriores de tecnología cuántica.
El llamado átomo de Rydberg se refiere a una estructura atómica en la que los electrones son excitados a órbitas de alta energía lejos del núcleo. Debido a que la distancia entre los electrones y el núcleo aumenta considerablemente, el tamaño de dichos átomos puede alcanzar miles de veces el de los átomos ordinarios. El mayor tamaño permite interacciones cuánticas con átomos vecinos a mayores distancias, una propiedad importante para construir y controlar sistemas cuánticos.
Los investigadores dijeron que la distancia de interacción entre los átomos de Rydberg puede alcanzar aproximadamente 5 micrones, que es aproximadamente una décima parte del grosor de un cabello humano. Aunque todavía es extremadamente pequeño en la escala cotidiana, ya está bastante lejos en el mundo atómico. Ésta es una de las razones por las que la tecnología cuántica de átomos neutros favorece a los átomos de Rydberg. Este tipo de tecnología permite el procesamiento de información cuántica atrapando y manipulando átomos descargados con rayos láser.
Esta vez el objeto de la investigación del equipo son los átomos circulares de Rydberg. En este estado, los electrones excitados se mueven en una órbita casi circular alrededor del núcleo. En el experimento, los investigadores construyeron con éxito una órbita de electrones con un diámetro de aproximadamente 1,1 micrones, que es aproximadamente 10.000 veces más grande que la órbita de los electrones de los átomos ordinarios.
Para lograr este objetivo, el equipo desarrolló una plataforma experimental especial para crear átomos gigantes extremadamente estables a temperatura ambiente suprimiendo la interferencia de la radiación del cuerpo negro en el medio ambiente. En el pasado, experimentos similares a menudo requerían entornos costosos y complejos de temperatura ultrabaja, pero este logro se logró en condiciones más suaves, lo que mejoró aún más la practicidad de la tecnología.
Durante el experimento, los investigadores establecieron con éxito tres récords internacionales. En primer lugar, midieron la vida más larga jamás registrada para un átomo de Rydberg redondo. Al controlar los electrones excitados para que se muevan a lo largo de una órbita circular estable, los átomos permanecen en un estado estable durante 11 milisegundos, que es más de 20 veces mayor que el estado similar anterior en el espacio libre.
En segundo lugar, el equipo de investigación creó el átomo de Rydberg circular controlable más grande hasta la fecha, con una órbita de electrones que alcanza aproximadamente 1,1 micrones, estableciendo un nuevo récord en campos relacionados.
El tercer registro proviene del momento de la captura atómica en pinzas ópticas láser. Los investigadores utilizaron rayos láser para mantener con éxito estos átomos gigantes en la trampa durante 133 milisegundos, estableciendo también un nuevo récord mundial.
Los investigadores señalaron que los átomos redondos de Rydberg no sólo tienen una vida útil más larga, sino que también son más estables a las perturbaciones externas, al tiempo que conservan la importante ventaja de la fuerte interacción de los átomos de Rydberg. Estas características lo convierten en un candidato ideal para futuros simuladores cuánticos y plataformas de computación cuántica.
A medida que la investigación en computación cuántica continúa avanzando, la industria generalmente cree que los futuros dispositivos cuánticos prácticos deben tener una alta estabilidad, bajas tasas de error y una gran escalabilidad. Los resultados obtenidos por la Universidad de Stuttgart demuestran por primera vez que los átomos circulares de Rydberg pueden lograr un control estable a largo plazo a temperatura ambiente, lo que se espera que reduzca significativamente el problema de acumulación de errores en las operaciones cuánticas.
El equipo de investigación afirmó que el siguiente paso será intentar construir un sistema cuántico programable compuesto de múltiples átomos circulares de Rydberg para explorar más a fondo su potencial de aplicación práctica en simulación cuántica y computación cuántica. A medida que la tecnología de control de estos "átomos gigantes" continúa madurando, las computadoras cuánticas pueden estar un paso más cerca de lograr un mayor rendimiento y una operación a mayor escala.
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