CONTROLANDO LA DECOHERENCIA CUANTICA

La decoherencia cuántica es el término aceptado y utilizado en mecánica cuántica para explicar como un estado cuántico puede dar lugar a un estado físico clásico, en otras palabras como un sistema físico, bajo ciertas condiciones específicas, deja de exhibir efectos cuánticos y pasa a exhibir un comportamiento típicamente clásico, sin los efectos contraintuitivos típicos de la mecánica cuántica.
Mantener un qubit estable durante un tiempo indefinido parece imposible, ya que la decoherencia cuántica destruye su estado. ¿Se puede controlar la decoherencia?
Se propuso un esquema teórico para controlar la decoherencia mediante un bucle realimentado continuo utilizando medidas débiles. Se publicó en Nature la primera implementación experimental de dicho esquema. Un qubit superconductor acoplado a una cavidad óptica de microondas, que sin control sufre la decoherencia en pocos microsegundos, gracias al control realimentado logra mantener su estado durante al menos 20 milisegundos; por cuestiones técnicas no se ha podido medir el qubit durante un tiempo más largo, (aunque el artículo técnico de R. Vijay et al., “Stabilizing Rabi oscillations in a superconducting qubit using quantum feedback,”) afirma que la teoría predice que su método podría haber logrado controlar el qubit durante un tiempo casi indefinido. Aunque quizás son muy optimistas, este nuevo resultado es un gran avance en el campo de los computadores cuánticos.

La idea del control realimentado, imagina que tenemos que conducir un coche en un juego de computador por una pista de carreras circular de tal forma que se de una vuelta al circuito cada minuto. Hay un gran reloj en el centro de la pista que marca el tiempo. ¿Cómo lo haríamos? Lo más obvio sería tratar de mantener la velocidad del coche para que fuera justo al lado del lugar apuntado por la manilla (o aguja) del reloj. Si vas un poquito por detrás, pisarás el acelerador, pero si la adelantas, pisarás el freno (o desacelerarás). Este proceso se llama control realimentado continuo.

Vijay et al. ha utilizado esta idea para controlar un qubit superconductor de estado sólido (un diodo Josephson) acoplado a una cavidad de microondas tridimensional. Aplicando un campo de microondas a cierta frecuencia (que actuará como reloj) se puede lograr que el qubit “resuene” al ritmo de dicho campo. La decoherencia cuántica (debida a cualquier fluctuación del sistema cuántico) hace que el qubit se desacople del reloj y se ponga a oscilar a un ritmo impredecible, lo que provoca la medida accidental y el correspondiente colapso de su estado. Gracias al sistema de control realimentado, basado en una medida débil continua del estado del qubit y la aplicación adecuada de fotones de microondas a mayor frecuencia, se puede conseguir que el qubit resuene con el reloj y mantenga su estado por un tiempo casi indefinido. Obviamente, la eficiencia del control no es del 100% y los experimentos solo han alcanzado el éxito en un 50% de los casos.
El qubit utilizado en este experimento se denomina transmón. A muy baja temperatura este qubit superconductor presenta solo dos estados cuánticos, el fundamental y el primer estado excitado.

Dentro de la cavidad de microondas, el qubit puede entrar en resonancia con un campo externo aplicado, apareciendo a la salida de la cavidad las llamadas oscilaciones de Rabi, que pueden ser utilizadas para realizar una medida débil del estado del qubit. Esta salida (OUT) de la cavidad es enviada a una serie de amplificadores que se utilizan como entrada del sistema de control realimentado. Para la actuación sobre el qubit se utilizan fotones de alta frecuencia que son introducidos en la cavidad resonante uno a uno por la entrada (IN). La aplicación adecuada de estos pulsos permiten salvar al qubit de la decoherencia, manteniendo su estado de forma prácticamente indefinida. Este hecho se ha demostrado gracias a las mismas oscilaciones de Rabi. El acuerdo entre las medidas experimentales y las predicciones teóricas (obtenidas mediante simulación numérica) es excelente.
Este esquema de control activo de la decoherencia cuántica podría permitir mantener el qubit en su estado durante un tiempo casi indefinido. Obviamente, no basta con tener un qubit para lograr un computador cuántico, además hay que entrelazar varios qubits. Se afirma que la tecnología que se ha utilizado se puede extender a un registro de varios qubits entrelazados.
En su caso, el control activo podría ser una alternativa práctica a las técnicas de corrección de errores, hasta ahora la única manera de combatir la decoherencia, aunque a futuro podrián haber otras predicciones.

Hacer predicciones es muy complicado, especialmente si son sobre el futuro  Niels Bohr

"End of transmission"