CONTROL DE FOTONES CUANTICOS

De la misma forma que ahora conectamos ordenadores a redes a través de señales ópticas, podría ser también posible conectar las futuras computadoras cuánticas para dar forma a una “Internet cuántica”. Las señales ópticas consistirían entonces en partículas de luz individuales o fotones. Un requisito previo para una internet cuántica funcional es el control de la forma de estos fotones.
Unos científicos de la Universidad Tecnológica de Eindhoven, y la Fundación FOM (dedicada a Investigaciones Fundamentales sobre la Materia), ambas instituciones en los Países Bajos, han conseguido ahora por vez primera lograr este control y mantenerlo durante el tiempo suficiente para hacer factible un mecanismo operativo.
Los ordenadores de hoy día son binarios. Sus circuitos eléctricos, que pueden estar abiertos o cerrados, representan unos y ceros en bits binarios de información. En cambio, en las computadoras cuánticas los científicos esperan usar bits cuánticos, o "qubits". A diferencia de los ceros y unos binarios, se puede pensar en los qubits como flechas que representan la posición de un bit cuántico. La flecha podría representar un uno si apunta justo hacia arriba, o un cero si apunta justo hacia abajo, pero también podría representar cualquier otro número mediante las direcciones intermedias a las que apuntase. Una computadora cuántica podría realizar ciertas tareas matemáticas muchos miles de millones de veces más rápido que las supercomputadoras actuales más potentes.

Las computadoras cuánticas podrían en principio comunicarse entre ellas intercambiándose fotones individuales para crear una “internet cuántica”. La forma de los fotones, o en otras palabras, cómo se distribuye su energía a lo largo del tiempo, es vital para una transmisión exitosa de la información. Esta forma debe ser simétrica en el tiempo, mientras que los fotones que son emitidos por átomos normalmente tienen una forma asimétrica. Por tanto, este proceso requiere un control externo para poder crear una internet cuántica.
El equipo de Francesco Pagliano ha tenido éxito en lograr el grado de control necesario incrustando un punto cuántico (un fragmento de material semiconductor que puede transmitir fotones) en un “cristal fotónico”, creando por tanto una cavidad óptica. Se aplica un pulso eléctrico muy corto a la cavidad, que influye en cómo el punto cuántico interactúa con ella, y cómo se emite el fotón. Variando la intensidad de este pulso, se ha conseguido controlar la forma de los fotones transmitidos, algo que nadie había conseguido hacer hasta ahora. La era de la internet cuántica está pues un paso más cerca.

Información: http://arxiv.org/abs/1411.0424

"El conocimiento está inextricablemente interrelacionado con la comunicación, el poder con el control y la evaluación de los propósitos científicos con la humanidad".

"End of transmission".

LECTOR QUANTUM

Los ordenadores de hoy día son binarios. Sus circuitos eléctricos, que pueden estar abiertos o cerrados, representan unos y ceros en bits binarios de información. En cambio, en las computadoras cuánticas los científicos esperan usar bits cuánticos, o "qubits".

A diferencia de los ceros y unos binarios, se puede pensar en los qubits como flechas que representan la posición de un bit cuántico. La flecha podría representar un uno si apunta justo hacia arriba, o un cero si apunta justo hacia abajo, pero también podría representar cualquier otro número mediante las direcciones intermedias a las que apuntase. En física, a estas flechas se las llama estados cuánticos. Y para ciertos cálculos complejos, poder representar la información en muchos estados diferentes proporcionaría una gran ventaja sobre la computación binaria.

Una computadora cuántica podría realizar ciertas tareas matemáticas muchos miles de millones de veces más rápido que las supercomputadoras actuales más potentes. Más allá de esto, la computación cuántica debería hacer posible realizar cálculos que no pueden ser abordados con la tecnología de la computación "clásica". El secreto de la extraordinaria capacidad de la computación cuántica radica en las propiedades raras y aparentemente "mágicas", pero reales y demostrables, de la mecánica cuántica.  

Se podrían usar los centros nitrógeno-vacante de diamantes para construir componentes vitales destinados a las computadoras cuánticas. Sin embargo, hasta ahora no había sido posible leer de manera electrónica la información escrita ópticamente de tales sistemas. Utilizando una capa de grafeno, el equipo encabezado por el Profesor Alexander Holleitner, de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) en Alemania, y Frank Koppens, del Instituto de Ciencias Fotónicas, en Castelldefels (Barcelona, Cataluña), en España, ha diseñado un cabezal lector para computadoras cuánticas, basado en centros nitrógeno-vacante de diamantes. Este cabezal permitirá leer electrónicamente la información escrita de manera óptica. La unidad lectora y su técnica se basan en una transferencia directa de energía de los centros nitrógeno-vacante de nanodiamantes a una capa de grafeno contigua.

Como resultado de las velocidades de conmutación rapidísimas de los nanocircuitos desarrollados por los investigadores, los sensores construidos utilizando esta tecnología podrían ser integrados en las futuras computadoras cuánticas y permitir grandes velocidades de procesamiento, del orden del terahercio de frecuencia de reloj.

Información: http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2014.276.html

"Tanto física cuántica revela una unidad básica del Universo". Erwin Schrodinger

"End of transmission".

MEMORIA ATOMICA CUANTICA

Unos físicos de la Universidad de Varsovia en Polonia han abierto recientemente una puerta muy prometedora hacia la popularización de las tecnologías cuánticas de la información al crear una memoria atómica que posee cualidades sobresalientes y que resulta muy fácil de construir.
Después de años de pruebas en laboratorios de física, las primeras tecnologías cuánticas están lentamente emergiendo para aplicaciones cada vez más variadas.

Un ejemplo es la criptografía cuántica, un método de encriptación que proporciona una garantía casi completa de transmisión segura de datos, la cual están actualmente introduciendo las fuerzas militares y las instituciones bancarias. El procesamiento de información cuántica y su envío a grandes distancias se han visto hasta ahora limitados gravemente debido a la falta de memorias adecuadas. Pero ya existe una solución a nuestro alcance: Radoslaw Chrapkiewicz, Wojciech Wasilewski y Michal Dabrowski, de la citada universidad, han creado una memoria atómica completamente funcional con una estructura fiable y sencilla, y numerosas aplicaciones potenciales, incluyendo las telecomunicaciones.

Hasta ahora, la memoria cuántica precisaba de equipamientos de laboratorio muy sofisticados y técnicas complejas para enfriar los sistemas hasta temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto. El dispositivo de memoria atómica desarrollado en la Universidad de Varsovia opera a temperaturas mucho mayores, lo cual es bastante más fácil de mantener.
El elemento principal de este dispositivo de memoria es una cámara de cristal de 2,5 centímetros de diámetro y 10 de largo, con los lados recubiertos de rubidio, llena con un gas noble. Cuando se almacena información cuántica en tal memoria, los fotones de un rayo láser “estampan” los estados cuánticos sobre muchos átomos de rubidio. Otros fotones son emitidos al mismo tiempo; su detección confirma que la información ha sido guardada. La información almacenada en la memoria puede ser recuperada usando otro pulso láser especialmente seleccionado.

Para grabar y recuperar información cuántica, los investigadores utilizaron métodos avanzados de filtrado de luz y una cámara innovadora de diseño propio. Esta cámara, capaz de detectar fotones individuales, está caracterizada por niveles de ruido extremadamente bajos y velocidades decenas de veces más altas que las cámaras parecidas ya existentes.
La estabilidad de la información cuántica almacenada en la nueva memoria perdura desde unos pocos microsegundos hasta decenas de microsegundos. En telecomunicaciones, las escalas de tiempo del orden del microsegundo son suficientes para llevar a cabo varios intentos de transmisión de una señal cuántica hasta la siguiente estación repetidora.
Los investigadores de la Universidad de Varsovia han reducido bastante los niveles de ruido en las señales cuánticas. Cuando la información es recuperada, la mayor parte del ruido se lo llevan consigo los fotones que son emitidos por las células de memoria, en una dirección distinta a la de los fotones que transportan la información cuántica relevante.

Información: http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-22-21-26076

"La fusión de las computadoras y las comunicaciones ha tenido una influencia profunda en la manera en que están organizados los sistemas computacionales".

"End of transmission".

INTERRUPTOR CUANTICO

Científicos de la Universidad de Granada y del Massachusetts Institute of Technology (MIT) de Cambridge (Estados Unidos), en colaboración con la University of Technology and Design de Singapur, han abierto las puertas para la construcción del primer interruptor cuántico de corriente controlado por simetría.

La fabricación de este dispositivo, que permitiría controlar y modificar las corrientes de energía a nivel atómico, es todavía un gran reto para la comunidad científica internacional, y podría servir, por ejemplo, para construir materiales aislantes controlados, o diseñar placas solares (células fotovoltaicas artificiales) más eficaces, que optimicen el transporte de energía y, por tanto, su rendimiento, usando la simetría como herramienta básica.
Este equipo de investigadores, cuyo trabajo ha sido publicado en la prestigiosa revista Physical Review B, de la American Physical Society, trabaja actualmente en un diseño realista de un interruptor cuántico de estas características (controlado por simetría), basado en átomos fríos en cavidades ópticas coherentes, y usando microresonadores acoplados a sendos baños para conectar el sistema con fuentes térmicas a diferentes temperaturas. El siguiente paso, explican, es que se pueda realizar experimentalmente un interruptor cuántico controlado por simetría usando como base este diseño.
En este trabajo, los científicos han descrito cómo la simetría, uno de los conceptos más profundos y poderosos de la física teórica, permite controlar y manipular el transporte de energía en sistemas cuánticos abiertos.

“Un sistema cuántico abierto no es más que un conjunto de átomos o moléculas en interacción, y sujetos a la acción de un entorno que los perturba constantemente. A día de hoy podemos manipular con precisión extrema estos sistemas, que constituyen los ladrillos con los que esperamos construir los futuros ordenadores cuánticos”, explica Pablo Ignacio Hurtado Fernández, profesor del departamento de Electromagnetismo y Física de la Materia de la Universidad de Granada y autor principal de este trabajo.  

La ‘magia’ de los sistemas cuánticos hace que, en presencia de una simetría, un sistema cuántico abierto pueda estar simultáneamente en diferentes estados estacionarios. Este trabajo demuestra que esta coexistencia de diferentes estados cuánticos se debe a la existencia de una transición de fase dinámica de primer orden, similar a la transición de fase del agua líquida a vapor, donde ambas fases (líquido y vapor) coexisten al mismo tiempo.
“Es más, puesto que la dinámica cuántica es reversible temporalmente (funciona igual ‘cámara adelante’ o ‘cámara atrás’), demostramos que esta transición de fase viene acompañada por otra gemela, pero que aparece para fluctuaciones muy raras de la corriente de energía”, señala Hurtado. La coexistencia cuántica inducida por la simetría permite almacenar de manera robusta múltiples estados cuánticos coherentes, lo que abre muchas posibilidades en computación cuántica, tal y como subraya Daniel Manzano, investigador del MIT y coautor del trabajo.

Para realizar las simulaciones de este trabajo, los investigadores han empleado el superordenador PROTEUS, perteneciente al Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional de la Universidad de Granada. PROTEUS es uno de los superordenadores de cálculo científico más potente de España, con una capacidad de cálculo de más de 13 TeraFlops que alcanza gracias a sus 1100 núcleos de procesamiento, 2,8 Terabytes de RAM y 48 TeraBytes de almacenamiento de datos.

Información adicioanl: http://phys.org/journals/physical-review-b/

"Investigar es ver lo que todo el mundo ha visto, y pensar lo que nadie más ha pensado". Albert Szent-Györgi


"End of transmission".