Por Peter Reuell, Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT, 24 de septiembre de 2023
Los físicos del MIT, inspirados por los auriculares con cancelación de ruido, han adelantado 20 veces el tiempo de coherencia de los bits cuánticos, lo que supone un progreso significativo para la computación cuántica. El equipo utilizó una técnica de «eco desequilibrado» para neutralizar el ruido del sistema y cree que es posible realizar más mejoras. Este descubrimiento tiene un gran potencial, desde sensores cuánticos en biología hasta avances en memoria cuántica.
Investigadores del MIT desarrollan un protocolo para prolongar la vida de la coherencia cuántica.
Durante años, los investigadores han probado varias formas de lograr que los bits cuánticos (o qubits, los componentes básicos de las computadoras cuánticas) permanezcan en su estado cuántico durante tiempos cada vez más prolongados, un paso clave en la creación de dispositivos como sensores cuánticos, giroscopios y memorias. .
Un equipo de físicos del MIT ha dado un paso importante en esta búsqueda al tomar prestado un concepto de una fuente poco probable: los auriculares con cancelación de ruido.
Dirigido por Ju Li, Profesor de Ingeniería Nuclear de Battelle Energy Alliance y profesor de ciencia e ingeniería de materiales, y Paola Cappellaro, Profesora Ford de Ingeniería en el Departamento de Ciencias Nucleares e Ingeniería Electrónica y Laboratorio de Investigación, y profesora de física, el equipo describió un Método para lograr un aumento de 20 veces en los tiempos de coherencia para qubits de espín nuclear. El trabajo se describe en un artículo publicado en Physical Review Letters. El primer autor del estudio es Guoqing Wang PhD ’23, un reciente estudiante de doctorado en el laboratorio de Cappellaro que ahora es un postdoctorado en el MIT.
Este sensor cuántico del MIT Quantum Engineering Group se basa en centros NV en diamantes. Fue diseñado y construido por el equipo de investigación. Crédito: Foto cortesía de investigadores.
«Éste es uno de los principales problemas de la información cuántica», afirma Li. «Los espines nucleares (conjuntos) son plataformas muy atractivas para sensores cuánticos, giroscopios y memorias cuánticas, (pero) tienen tiempos de coherencia del orden de 150 microsegundos en el orden de los 150 microsegundos. presencia de giros electrónicos… y luego la información simplemente desaparece. Lo que hemos demostrado es que si podemos comprender las interacciones o el ruido en estos sistemas, podemos hacerlo mucho mejor”.
Ampliando la coherencia con un “eco desequilibrado”
De la misma manera que los auriculares con cancelación de ruido utilizan frecuencias de sonido específicas para filtrar el ruido ambiental, el equipo desarrolló un enfoque que denominaron «eco desequilibrado» para extender el tiempo de coherencia del sistema.
Al caracterizar cómo una fuente de ruido específica (en este caso, el calor) afectaba las interacciones del cuadrupolo nuclear en el sistema, el equipo pudo utilizar esa misma fuente de ruido para compensar las interacciones entre el núcleo y los electrones, extendiendo los tiempos de coherencia en 150 microsegundos al máximo. hasta 3 milisegundos.
Sin embargo, estas mejoras pueden ser sólo el comienzo. Es posible que se puedan realizar más avances, dice Wang, primer autor del estudio que diseñó el protocolo de protección, mientras exploran otras posibles fuentes de ruido.
“En teoría, podríamos incluso mejorarlo cientos o incluso miles de veces. Pero en la práctica puede haber otras fuentes de ruido en el sistema, y lo que hemos demostrado es que si podemos describirlas, podemos cancelarlas”.
El artículo tendrá un «impacto significativo» en el trabajo futuro sobre dispositivos cuánticos, afirma Dmitry Budker, líder de la Sección Materia-Antimateria del Instituto Helmholtz de Mainz, profesor de la Universidad Johannes Gutenberg y de la Universidad de California en Berkeley, que no participó en la investigación.
«(Este grupo es) el líder mundial en el campo de la detección cuántica», dice. “Constantemente inventan nuevos enfoques para estimular el desarrollo en este campo en expansión. En este trabajo, demuestran una forma práctica de alargar el tiempo de coherencia nuclear en un orden de magnitud con una ingeniosa técnica de espín-eco que debería ser relativamente sencilla de implementar en aplicaciones”.
Gregory Fuchs, profesor de física e ingeniería aplicadas de la Universidad de Cornell, califica el trabajo de «innovador e impactante».
“Este (trabajo) es importante porque, aunque el espín nuclear puede, en principio, tener vidas de coherencia mucho más largas que los espines de electrones nativos de los centros NV, ha sido un desafío para cualquiera observar conjuntos de espines nucleares de larga vida en el diamante NV. experimentos en el centro”, dice. “Lo que la profesora Cappellaro y sus alumnos han demostrado es una estrategia muy inesperada para lograrlo. Este enfoque podría tener un gran impacto para las aplicaciones de matrices de espín nuclear, como la detección de espín (un giroscopio)”.
Construyendo un sensor usando “10 mil millones de relojes”
Los experimentos y cálculos descritos en el artículo abordan un gran conjunto (aproximadamente 10 mil millones) de impurezas a escala atómica en el diamante, conocidas como centros de vacantes de nitrógeno o centros NV, cada uno de los cuales existe en un estado de espín cuántico específico para el nitrógeno-14. . núcleo, así como un electrón ubicado cerca.
Si bien hace tiempo que se los identifica como candidatos ideales para sensores cuánticos, giroscopios, memorias y más, el desafío, explica Wang, radica en encontrar una manera de hacer que grandes conjuntos de centros NV funcionen juntos.
«Si pensamos en cada rotación como un reloj, estos 10 mil millones de relojes son ligeramente diferentes… y no podemos medirlos todos individualmente», dice Wang. “Lo que vemos es que cuando preparas todos estos relojes, al principio están sincronizados entre sí, pero después de un tiempo pierden completamente la fase. A esto lo llamamos tiempo de retraso.
«El objetivo es utilizar mil millones de relojes, pero lograr el mismo retraso que un solo reloj», continúa. «Esto permite obtener mejoras en la medición de múltiples relojes, pero al mismo tiempo preserva la coherencia de fase, por lo que no se pierde la información cuántica tan rápidamente».
La teoría subyacente del desfase inducido por la heterogeneidad de la temperatura, que se relaciona con las propiedades de los materiales, fue esbozada por primera vez en marzo por un equipo de investigadores que incluía a Li, Cappellaro, Wang y otros estudiantes graduados del MIT. Ese artículo, publicado en el Journal of Physical Chemistry Letters, describió un enfoque teórico para calcular cómo la temperatura y la tensión afectan diferentes tipos de interacciones que pueden conducir a la decoherencia.
La primera, conocida como interacción cuadrupolo nuclear, se produce porque el núcleo de nitrógeno actúa como un dipolo nuclear imperfecto, esencialmente un imán subatómico. Debido a que el núcleo no es perfectamente esférico, explica Wang, se deforma, alterando el dipolo, que efectivamente interactúa consigo mismo. De manera similar, la interacción hiperfina es el resultado de la interacción del dipolo magnético del núcleo con el dipolo magnético electrónico cercano. Ambos tipos de interacciones pueden variar espaciotemporalmente y, cuando se considera un conjunto de qubits de espín nuclear, puede producirse un desfase, ya que “los relojes en diferentes ubicaciones pueden obtener diferentes fases”.
Basándose en su artículo anterior, el equipo teorizó que si pudieran caracterizar cómo estas interacciones se veían afectadas por el calor, podrían compensar el efecto y extender los tiempos de coherencia del sistema.
«La temperatura o el voltaje afectan ambas interacciones», dice Wang. “La teoría que describimos predijo cómo la temperatura o la tensión afectarían al cuadrupolo y al hiperfino, por lo que el eco desequilibrado que desarrollamos en este trabajo esencialmente cancela la deriva espectral debido a una interacción física utilizando otra interacción física diferente, utilizando su correlación inducida por el mismo ruido”.
La principal novedad de este trabajo, en comparación con las técnicas de eco de espín existentes comúnmente utilizadas en la comunidad cuántica, es utilizar diferentes ruidos de interacción para cancelarse entre sí, de modo que los ruidos a cancelar puedan ser altamente selectivos. “Sin embargo, lo interesante es que podemos utilizar este sistema de otras maneras”, continúa. “Entonces podríamos usar esto para detectar temperatura o deformar la heterogeneidad espaciotemporal del campo. Esto podría ser muy bueno para sistemas biológicos, donde incluso un cambio mínimo de temperatura podría tener efectos significativos”.
Aplicaciones potenciales y el futuro
Estas aplicaciones, afirma Wang, apenas rozan la superficie de las posibles aplicaciones del sistema.
«Este sistema también podría utilizarse para examinar las corrientes eléctricas en vehículos eléctricos y, dado que puede medir campos de tensión, podría utilizarse para una evaluación no destructiva de la salud estructural», afirma Li. «Se podría imaginar un puente, si tuviera Con estos sensores, podríamos entender a qué tipo de tensión se enfrenta. De hecho, los sensores de diamante ya se utilizan para medir la distribución de temperatura en la superficie de los materiales porque pueden ser un sensor muy sensible y de alta resolución espacial”.
Otra aplicación, afirma Li, podría ser la biología. Los investigadores ya han demostrado que el uso de sensores cuánticos para mapear la actividad neuronal en campos electromagnéticos podría ofrecer mejoras potenciales, permitiendo una mejor comprensión de algunos procesos biológicos.
El sistema descrito en el artículo también podría representar un importante avance para la memoria cuántica.
Aunque existen algunos enfoques para ampliar el tiempo de coherencia de los qubits para su uso en la memoria cuántica, estos procesos son complejos y normalmente implican «invertir» (o invertir el giro) de los centros NV. Aunque este proceso funciona para revertir la deriva espectral que causa la decoherencia, también conduce a la pérdida de cualquier información que haya sido codificada en el sistema.
Al eliminar la necesidad de invertir el giro, el nuevo sistema no sólo extiende el tiempo de coherencia de los qubits sino que también evita la pérdida de datos, un paso importante hacia la computación cuántica.
En el futuro, el equipo planea investigar fuentes adicionales de ruido, como interferencias fluctuantes en el campo eléctrico, en el sistema con el objetivo de neutralizarlas y aumentar aún más el tiempo de coherencia.
«Ahora que hemos logrado una mejora 20 veces mayor, estamos estudiando cómo podemos mejorarla aún más, porque intrínsecamente, este eco desequilibrado puede lograr una mejora casi infinita», afirma Li. «También estamos estudiando cómo Podemos aplicar este sistema para crear un giroscopio cuántico, porque el tiempo de coherencia es solo un parámetro clave para construir un giroscopio, y hay otros parámetros que estamos tratando de optimizar para (comprender) la sensibilidad. podemos lograr en comparación con técnicas anteriores”.
Referencia: “Caracterización de las variaciones de temperatura y deformación con conjuntos Qubit para su robusta protección de coherencia” por Guoqing Wang, Ariel Rebekah Barr, Hao Tang, Mo Chen, Changhao Li, Haowei Xu, Andrew Stasiuk, Ju Li y Paola Cappellaro, 25 de julio de 2023 , Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.043602
Este trabajo fue apoyado en parte por el programa DRINQS de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Fundación Nacional de Ciencias y la Interacción de Radiación Ionizante de la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa con la Alianza de Investigación de Matter University. Los cálculos de este trabajo se realizaron en parte en el Centro de Computación Avanzada de Texas y el grupo circundante del MIT.
