Medir las propiedades de un sistema cuántico sin destruir el estado cuántico

Siempre ha sido un problema medir las propiedades cuánticas de un sistema cuántico ya que hacerlo iba unido invariablemente a la destrucción del estado cuántico. Ahora, una investigación parece que ha dado por fin con una estrategia eficiente que permitiría realizar esas mediciones en determinados sistemas cuánticos sin la consecuencia indeseada.

Cuando se piensa en sistemas de mecánica cuántica, normalmente vienen a la mente cosas como fotones individuales, iones y átomos bien aislados, o los electrones que se propagan por un cristal. Más exóticos en el contexto de la mecánica cuántica son los sistemas cuánticos genuinamente mecánicos; es decir, objetos masivos en los que el movimiento mecánico, como la vibración, está cuantizado. En una serie de experimentos pioneros, se han observado rasgos de mecánica cuántica en sistemas mecánicos, incluyendo la cuantización de la energía y el entrelazamiento. Sin embargo, con vistas a utilizar estos sistemas en estudios fundamentales y aplicaciones tecnológicas, la observación de las propiedades cuánticas no es más que un primer paso. El siguiente es dominar el manejo de los objetos de mecánica cuántica, de modo que sus estados cuánticos puedan controlarse, medirse y, finalmente, explotarse en dispositivos con fines prácticos. El grupo de Yiwen Chu, del Departamento de Física del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich (ETH), ha hecho grandes progresos en esa dirección.

Chu y sus colegas han conseguido extraer información de un sistema cuántico sin destruir el preciado estado cuántico. Este avance allana el camino a aplicaciones como la corrección fácil de errores cuánticos, y muchas más.

El equipo de Chu emplea como sistema mecánico una lámina de zafiro de alta calidad, de algo menos de medio milímetro de grosor. En su parte superior se encuentra un transductor piezoeléctrico que puede excitar ondas acústicas, que se reflejan en la parte inferior y se extienden así por un volumen bien definido dentro de la lámina. Estas excitaciones son el movimiento colectivo de una gran cantidad de átomos, pero están cuantizadas (en unidades de energía conocidas como fonones) y pueden someterse, al menos en principio, a operaciones cuánticas de forma muy similar a lo que se hace con los estados cuánticos de los átomos, fotones y electrones. Curiosamente, es posible interconectar el resonador mecánico con otros sistemas cuánticos y, en particular, con qubits superconductores. Estos últimos son diminutos circuitos electrónicos en los cuales los estados de energía electromagnética son cuantizados. De hecho, constituyen actualmente una de las principales plataformas para construir ordenadores cuánticos ampliables a gran escala. Los campos electromagnéticos asociados al circuito superconductor permiten el acoplamiento del qubit al transductor piezoeléctrico del resonador acústico, y por tanto a sus estados cuánticos.

Imagen captada mediante microscopio óptico en la que aparece el resonador acústico visto desde arriba (los dos discos más grandes). El disco más interior de ambos es el transductor piezoeléctrico). También puede verse la antena conectada al qubit superconductor (estructura blanca). (Imagen: adaptada de: Von Lüpke et al. Nat. Phys. DOI: 10.1038/s41567-​022-01591-2 (2022).)

En estos dispositivos híbridos qubit-resonador, se puede combinar lo mejor de dos mundos. En concreto, las capacidades computacionales altamente desarrolladas de los qubits superconductores pueden utilizarse en sincronía con la robustez y larga vida útil de los componentes acústicos, que pueden servir como memorias o transductores cuánticos. Sin embargo, para estas aplicaciones no basta con acoplar los estados del qubit y del resonador. Por ejemplo, una medición directa del estado cuántico en el resonador lo destruye, lo que hace imposible repetir las mediciones. Lo que se necesita, en cambio, es la capacidad de extraer información sobre el estado cuántico de una manera que no ocasione perturbaciones.

Chu, Uwe von Lüpke y sus colaboradores han conseguido demostrar un protocolo que permite realizar mediciones cuánticas no destructivas. En sus experimentos no hay un intercambio directo de energía entre el qubit superconductor y el resonador acústico durante la medición. En vez de eso, las propiedades del qubit se hacen depender de la cantidad de fonones en el resonador acústico, sin necesidad de "tocar" directamente el estado cuántico.

Habiendo conseguido llevar su sistema al régimen operativo deseado (conocido como "régimen de dispersión fuerte"), el equipo ha sido capaz de extraer sin provocar perturbaciones la distribución del número de fonones en su resonador acústico tras excitarlo.

Chu y sus colegas han demostrado además una forma de determinar en una sola medición si el número de fonones en el resonador es par o impar (lo que se conoce como medición de la paridad) sin necesidad de saber nada más sobre la distribución de los fonones. Obtener una información tan específica es crucial en varias aplicaciones de la tecnología cuántica. Por ejemplo, un cambio en la paridad (una transición de un número par a uno impar o viceversa) puede indicar que un error ha afectado al estado cuántico y que es necesario corregirlo. En este caso es esencial, por supuesto, que el estado a corregir no se destruya.

Chu y sus colaboradores exponen los detalles técnicos de su avance en la revista académica Nature Physics, bajo el título “Parity measurement in the strong dispersive regime of circuit quantum acoustodynamics”. (Fuente: NCYT de Amazings)