Investigadores del MIT desarrollan una nueva forma de amplificar señales cuánticas mientras reducen el ruido

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Investigadores del MIT han encontrado una manera de potenciar las señales cuánticas mientras reducen el ruido ambiental mediante el uso de un proceso llamado "expresión".

By kenna hughes-castleberry publicado el 27 de febrero de 2023

Debido a la fragilidad y sensibilidad de los qubits dentro de una computadora cuántica, el medio ambiente ruido es un factor clave para mantener la integridad de todo el sistema. Debido a que este ruido puede afectar el análisis y la lectura de una computadora cuántica, los ingenieros y científicos de todo el mundo están tratando de encontrar formas de reducir este ruido mientras mantienen los niveles actuales de comunicación entre los cúbits. Reciente la investigación Desde MIT sugiere un posible nuevo método de control de ruido mientras aumenta las señales cuánticas mediante el uso de un proceso conocido como compresión. Con sus resultados publicados en Física de la naturaleza, los investigadores tienen la esperanza de que la compresión se pueda utilizar para crear componentes más robustos para una computadora cuántica.

Deletrear Exprimir

Según el primer autor y estudiante de posgrado del MIT Jack Qiu, exprimir funciona redistribuyendo el ruido ambiental de una variable a otra diferente, de modo que la cantidad total de ruido sea la misma, solo que menos en un parámetro. Como Qiu explicó más adelante: “Una propiedad cuántica conocida como el Principio de Incertidumbre de Heisenberg requiere que se agregue una cantidad mínima de ruido durante el proceso de amplificación, lo que lleva al llamado 'límite cuántico estándar' del ruido de fondo. Sin embargo, un dispositivo especial llamado Josephson El amplificador paramétrico puede reducir el ruido agregado al 'apretarlo' por debajo del límite fundamental al redistribuirlo de manera efectiva en otros lugares”.

Esta redistribución es especialmente útil cuando los investigadores se centran en un parámetro específico del sistema. “La información cuántica se representa en las variables conjugadas, por ejemplo, la amplitud y la fase de las ondas electromagnéticas”, agregó Qiu. “Sin embargo, en muchos casos, los investigadores solo necesitan medir una de estas variables, la amplitud o la fase, para determinar el estado cuántico del sistema. En estos casos, pueden 'exprimir el ruido': reduciéndolo para una variable, digamos amplitud, mientras lo elevan para la otra, en este caso, fase. La cantidad total de ruido permanece igual debido al Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Aún así, su distribución se puede moldear para que sean posibles mediciones menos ruidosas en una de las variables”.

Implementando Squeezing en el sistema y aumentando las señales cuánticas

En su experimento, Qiu y su equipo se centraron en utilizar un nuevo tipo de dispositivo para iniciar la compresión. “En este trabajo, presentamos un nuevo tipo de amplificador paramétrico de ondas viajeras (JTWPA) de Josephson con ingeniería de dispersión diseñado para exprimir”, afirmó Qiu. “El dispositivo comprende muchas uniones Josephson [uniones que contienen corrientes superconductoras] en serie y resonadores de adaptación de fase cargados periódicamente para admitir la operación de bomba doble”. Con este dispositivo, los investigadores pudieron ajustar todo su sistema, lo que permitió que los fotones se combinaran en señales cuánticas más fuertes y amplificadas. Los resultados que encontraron con este nuevo dispositivo y la configuración experimental fueron emocionantes. “Esta arquitectura permitió [a las señales cuánticas] reducir la potencia del ruido en un factor 10 por debajo del límite cuántico fundamental mientras operaba con 3.5 gigahercios de ancho de banda de amplificación”, explicó Qiu. “Este rango de frecuencia es casi dos órdenes de magnitud más alto que los dispositivos anteriores. Nuestro dispositivo también demuestra la generación de banda ancha de pares de fotones entrelazados, lo que podría permitir a los investigadores leer información cuántica de manera más eficiente con una relación señal-ruido mucho más alta”.

Debido a que el desarrollo actual de las computadoras cuánticas está trabajando para mejorar las señales cuánticas entre cúbits y al mismo tiempo reducir el ruido ambiental, los resultados de este experimento podrían ser importantes. Mientras Qiu y su equipo continúan investigando este proceso, tienen la esperanza de que su trabajo pueda influir en otros en la industria cuántica. Como dijo Qiu: "Tiene un enorme potencial si lo aplica a otros sistemas cuánticos: para interactuar con un sistema qubit para mejorar la lectura, o para enredar qubits, o ampliar el rango de frecuencia de funcionamiento del dispositivo para utilizarlo en la detección de materia oscura y mejorar su eficiencia de detección.”

Kenna Hughes-Castleberry es redactora de Inside Quantum Technology y comunicadora científica en JILA (una asociación entre la Universidad de Colorado Boulder y el NIST). Sus ritmos de escritura incluyen tecnología profunda, metaverso y tecnología cuántica.