En un notable avance para la computación cuántica, investigadores en Pekín han logrado entrelazar dos tipos diferentes de qubits utilizando un único sistema láser. Este descubrimiento podría señalar una era transformadora en la computación cuántica, permitiendo a las máquinas realizar tareas más allá de las capacidades de las computadoras actuales.
Los hallazgos fueron publicados en el artículo "Realización experimental de puertas de entrelazamiento directo entre qubits de tipo dual" en la revista Physical Review Letters. El autor principal, Luming Duan, declaró: "Este método reduce los costos y la complejidad de los circuitos cuánticos al eliminar conversiones innecesarias entre diferentes tipos de qubits."
Los qubits, las unidades fundamentales de información en la computación cuántica, pueden existir en múltiples estados simultáneamente gracias a la superposición. Sin embargo, no todos los qubits son iguales. Los qubits de tipo dual combinan dos estados cuánticos diferentes dentro de un solo sistema, aumentando su versatilidad y reduciendo las interferencias.
Tradicionalmente, los sistemas de computación cuántica utilizan diferentes especies de iones para minimizar el ruido entre los qubits, lo que complica la estructura general. En contraste, los qubits de tipo dual se codifican dentro de un solo ion, como los niveles de energía hiperfinos del ion Ba-137, lo que permite operaciones con menos hardware adicional y, crucialmente, menos errores.
Según los investigadores, "Nuestra técnica puede reducir los costos de hardware al utilizar un único sistema láser de 532 nm para entrelazar ambos tipos de qubits mediante transiciones Raman." El experimento se llevó a cabo con iones de Ba-137 en una trampa, enfriados cerca de su estado fundamental utilizando técnicas como el enfriamiento Doppler. Los qubits se codificaron en dos niveles de energía diferentes: los estados hiperfinos S1/2 y D5/2.
Para lograr el entrelazamiento, el equipo desarrolló un sistema láser con múltiples componentes de frecuencia capaces de excitar simultáneamente ambos tipos de qubits. Este proceso, combinado con oscilaciones colectivas de los iones, actuó como un "puente cuántico" que generó el entrelazamiento. El estado de Bell resultante alcanzó una fidelidad del 96,3%, comparable a los métodos tradicionales para qubits del mismo tipo.
Este método es revolucionario porque elimina la necesidad de convertir qubits entre diferentes tipos antes de entrelazarlos, un proceso que anteriormente era común pero ineficiente. El equipo confirmó: "Hemos logrado puertas de entrelazamiento tanto para qubits de tipo dual como para qubits del mismo tipo con un rendimiento similar, demostrando que no hay limitaciones fundamentales para aplicar este método en circuitos cuánticos prácticos."
El impacto potencial de esta técnica es significativo. Los sistemas cuánticos actuales enfrentan grandes desafíos relacionados con errores y complejidad del hardware. Reducir estos factores no solo mejora el rendimiento, sino que también amplía las aplicaciones de la tecnología, desde redes cuánticas hasta corrección de errores.
En redes cuánticas, donde es necesario entrelazar nodos separados por largas distancias, este método puede simplificar el proceso al minimizar el ruido entre los qubits. En las tareas de corrección de errores, las puertas de entrelazamiento para qubits de tipo dual pueden reducir la profundidad de los circuitos y simplificar su diseño.
Luming Duan comentó: "En el futuro, planeamos aplicar esta técnica para realizar la detección cuántica de estados intermedios en circuitos de corrección de errores y para construir nodos de redes cuánticas basados en iones atrapados." A pesar de los resultados prometedores, hay espacio para mejoras. El principal desafío es aumentar la estabilidad del sistema láser y la frecuencia de la trampa de iones. Según el artículo, el rendimiento actual está limitado por los tiempos de decoherencia del láser (2,6 ms) y los movimientos de los iones (4,1 ms).
Los investigadores planean optimizar los caminos ópticos y aplicar técnicas de estabilización más avanzadas. Esto aumentará la fidelidad de las puertas de entrelazamiento y ampliará su aplicabilidad en sistemas más grandes. Además, la técnica puede integrarse en arquitecturas de computación cuántica ya existentes sin modificaciones significativas, convirtiéndola en una opción práctica para escalar la tecnología cuántica.