By: Matthew Hutson
Los investigadores del MIT desarrollan una nueva forma de controlar y medir los niveles de energía en un cristal de diamante; podría mejorar los qubits en las computadoras cuánticas.
Los físicos e ingenieros han estado interesados durante mucho tiempo en crear nuevas formas de materia, aquellas que no se encuentran típicamente en la naturaleza. Dichos materiales podrían encontrar uso algún día, por ejemplo, en nuevos chips de computadora. Más allá de las aplicaciones, también revelan conocimientos escurridizos sobre el funcionamiento fundamental del universo. Un trabajo reciente en el MIT creó y caracterizó nuevos sistemas cuánticos que demuestran simetría dinámica, tipos particulares de comportamiento que se repiten periódicamente, como una forma doblada y reflejada a través del tiempo.
“Hay dos problemas que teníamos que resolver”, dice Changhao Li, estudiante de posgrado en el laboratorio de Paola Cappellaro, profesora de ciencia e ingeniería nuclear. Li publicó el trabajo recientemente en Physical Review Letters , junto con Cappellaro y su compañero de estudios de posgrado Guoqing Wang. “El primer problema fue que necesitábamos diseñar un sistema de este tipo. Y segundo, ¿cómo lo caracterizamos? ¿Cómo observamos esta simetría? “
Concretamente, el sistema cuántico consistía en un cristal de diamante de aproximadamente un milímetro de diámetro. El cristal contiene muchas imperfecciones causadas por un átomo de nitrógeno junto a un espacio en la red, un llamado centro de nitrógeno vacío. Al igual que un electrón, cada centro tiene una propiedad cuántica llamada espín, con dos niveles de energía discretos. Debido a que el sistema es un sistema cuántico, los espines se pueden encontrar no solo en uno de los niveles, sino también en una combinación de ambos niveles de energía, como el gato teórico de Schrodinger, que puede estar vivo y muerto al mismo tiempo.
El nivel de energía del sistema está definido por su hamiltoniano, cuya dependencia temporal periódica los investigadores diseñaron mediante el control de microondas. Se decía que el sistema tenía simetría dinámica si su hamiltoniano era el mismo no solo después de cada período de tiempo t, sino también después, por ejemplo, de cada t / 2 o t / 3, como doblar una hoja de papel por la mitad o en tercios para que ninguna parte sobresale. Georg Engelhardt, un postdoctorado en Beijing Computational Science Research, que no participó en este trabajo pero cuyo propio trabajo teórico sirvió de base, compara la simetría con los armónicos de la guitarra, en los que una cuerda puede vibrar tanto a 100 Hz como a 50 Hz.
Para inducir y observar tal simetría dinámica, el equipo del MIT primero inicializó el sistema usando un pulso láser. Luego, le dirigieron varias frecuencias seleccionadas de radiación de microondas y la dejaron evolucionar, lo que le permitió absorber y emitir la energía. “Lo sorprendente es que cuando se agrega esa conducción, se pueden exhibir algunos fenómenos muy elegantes”, dice Li. “Tendrá algún batido periódico”. Finalmente, le dispararon otro pulso láser y midieron la luz visible que emitía con el fin de medir su estado. La medición fue solo una instantánea, por lo que repitieron el experimento muchas veces para armar una especie de libro animado que caracterizó su comportamiento a lo largo del tiempo.
“Lo que es muy impresionante es que pueden demostrar que tienen este increíble control sobre el sistema cuántico”, dice Engelhardt. “Es bastante fácil resolver la ecuación, pero darse cuenta de esto en un experimento es bastante difícil”.
Críticamente, los investigadores observaron que la simetría dinámica del hamiltoniano (los armónicos del nivel de energía del sistema) dictaba qué transiciones podían ocurrir entre un estado y otro. “Y la novedad de este trabajo”, dice Wang, “es también que presentamos una herramienta que puede usarse para caracterizar cualquier plataforma de información cuántica, no solo los centros de vacantes de nitrógeno en diamantes. Es ampliamente aplicable “. Li señala que su técnica es más simple que los métodos anteriores, aquellos que requieren pulsos de láser constantes para impulsar y medir el movimiento periódico del sistema.
Una aplicación de ingeniería es en computadoras cuánticas, sistemas que manipulan qubits, bits que pueden ser no solo 0 o 1, sino una combinación de 0 y 1. El giro de un diamante puede codificar un qubit en sus dos niveles de energía.
Los qubit son delicados: se dividen fácilmente en un simple bit, un 1 o un 0. O el qubit podría convertirse en la combinación incorrecta de 0 y 1. “Estas herramientas para medir simetrías dinámicas”, dice Engelhardt, “se pueden usar como un compruebe la cordura de que su experimento esté ajustado correctamente y con una precisión muy alta “. Señala el problema de las perturbaciones externas en las computadoras cuánticas, que compara con una guitarra desafinada. Al ajustar la tensión de las cuerdas, ajustando la radiación de microondas, de modo que los armónicos coincidan con algunos requisitos teóricos de simetría, uno puede estar seguro de que el experimento está perfectamente calibrado.
El equipo del MIT ya tiene la mira puesta en extensiones de este trabajo. “El siguiente paso es aplicar nuestro método a sistemas más complejos y estudiar física más interesante”, dice Li. Apuntan a más de dos niveles de energía: tres, 10 o más. Con más niveles de energía pueden representar más qubits. “Cuando tienes más qubits, tienes simetrías más complejas”, dice Li. “Y puedes caracterizarlos usando nuestro método aquí”.
Esta investigación fue financiada, en parte, por la National Science Foundation.
