Manipulación de los estados oscuros de los circuitos superconductores en una guía de ondas de microondas

Físicos experimentales dirigidos por Gerhard Kirchmair, junto con físicos teóricos de la Universidad de Oulu, Finlandia, lograron por primera vez controlar estados cuánticos protegidos, los llamados estados oscuros, en bits cuánticos superconductores. Los estados entrelazados son 500 veces más robustos y podrían usarse en simulaciones cuánticas. El método también podría utilizarse en otras plataformas tecnológicas.

En el laboratorio de Gerhard Kirchmair en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia de Ciencias de Austria en Innsbruck, Austria, los bits cuánticos superconductores se acoplan a guías de ondas. Cuando varios de estos bits cuánticos se incorporan a la guía de ondas, interactúan entre sí, dando como resultado los llamados estados oscuros. «Estos son estados cuánticos entrelazados que están completamente desacoplados del mundo exterior», explica Max Zanner, primer autor del artículo.

«Son invisibles, por así decirlo, por eso se llaman estados oscuros». Estos estados son de interés para las simulaciones cuánticas, o el procesamiento de información cuántica, y se han realizado propuestas correspondientes varias veces en los últimos años. Sin embargo, hasta la fecha, no ha sido posible controlar y manipular adecuadamente estos estados oscuros sin romper su invisibilidad. Ahora, el equipo de Kirchmair ha desarrollado un sistema con el que se pueden manipular desde el exterior los estados oscuros de los circuitos superconductores en una guía de ondas de microondas.

Ampliable como se desee

«Hasta ahora, el problema siempre ha sido cómo controlar los estados oscuros que están completamente desacoplados del entorno», dice Kirchmair, quien también es profesor de física experimental en la Universidad de Innsbruck. «Con un truco, ahora hemos logrado encontrar acceso a estos estados oscuros».

Su equipo construyó cuatro bits cuánticos superconductores en una guía de ondas de microondas y conectó líneas de control a través de dos entradas laterales. Usando radiación de microondas a través de estos cables, se pueden manipular los estados oscuros. Juntos, los cuatro circuitos superconductores forman un bit cuántico robusto con un tiempo de almacenamiento unas 500 veces mayor que el de los circuitos individuales. Existen múltiples estados oscuros simultáneamente en este bit cuántico, que se puede utilizar para la simulación cuántica y el procesamiento de información cuántica. «En principio, este sistema puede extenderse arbitrariamente», dice Matti Silveri de la Unidad de Investigación de Nano y Sistemas Moleculares de la Universidad de Oulu, Finlandia.

El experimento exitoso constituye el punto de partida para futuras investigaciones sobre los estados oscuros y sus posibles aplicaciones. Por el momento, estos son principalmente en el campo de la investigación fundamental, donde todavía hay muchas preguntas abiertas sobre las propiedades de este tipo de sistemas cuánticos.

El concepto desarrollado por los físicos de Innsbruck para controlar los estados oscuros puede, en principio, implementarse no solo con bits cuánticos superconductores, sino también en otras plataformas tecnológicas. “Los circuitos que utilizamos, que funcionan como átomos artificiales, tienen ventajas sobre los átomos reales, que son mucho más difíciles de acoplar fuertemente a una guía de ondas”, enfatiza Gerhard Kirchmair.

Física de la naturaleza publicó los resultados en su número actual.