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Investigadores cuánticos de la Universidad de Aalto utilizan la coherencia cuántica para detectar objetos sin mirarlos. Crédito: Mikko Raskinen/Aalto University
Desde los inicios de la mecánica cuántica, la búsqueda de la comprensión de las mediciones ha sido una rica fuente de fascinación intelectual. La medición sin interacción es un efecto cuántico fundamental por el que se determina la presencia de un objeto fotosensible sin absorción irreversible de fotones.
En un estudio que explora la conexión entre los mundos cuántico y clásico, científicos de la Universidad de Aalto han descubierto una forma nueva y mucho más eficaz de realizar experimentos sin interacción. Propusieron el concepto de detección coherente sin interacción y lo demostraron experimentalmente.
Utilizaron un dispositivo transmón superconductor de tres niveles para detectar la presencia de pulsos de microondas generados por instrumentos clásicos. Los dispositivos transmón son circuitos superconductores relativamente grandes pero que muestran un comportamiento cuántico.
Anton Zeilinger, uno de los galardonados con el Premio Nobel de Física de 2022, fue el primero en poner en práctica experimentalmente la idea de un experimento sin interacciones utilizando la óptica.
Gheorghe Sorin Paraoanu, de la Universidad de Aalto, afirma: "Tuvimos que adaptar el concepto a las diferentes herramientas experimentales disponibles para los dispositivos superconductores. Por eso, también tuvimos que cambiar de forma crucial el protocolo estándar libre de interacciones: añadimos otra capa de "cuántica" utilizando un nivel de energía más alto del transmón. Después, utilizamos como recurso la coherencia cuántica del sistema de tres niveles resultante".
La coherencia cuántica -la posibilidad de que un objeto pueda ocupar dos estados distintos simultáneamente- es delicada y se colapsa con facilidad. De ahí que no fuera inmediatamente obvio que el nuevo protocolo fuera a funcionar.
Para los científicos resulta sorprendente que, en su protocolo, la coherencia cuántica sirva como recurso, lo que da lugar a una probabilidad de éxito en la detección significativamente alta. La primera demostración del experimento mostró un notable aumento de la eficacia de detección.
Los científicos volvieron varias veces a la mesa de dibujo para comprobarlo todo y elaboraron modelos teóricos. Los modelos confirmaron los resultados: el efecto era real.
Shruti Dogra, de la Universidad de Aalto, afirma: "También hemos demostrado que incluso los pulsos de microondas de muy baja potencia pueden detectarse eficazmente con nuestro protocolo".
El experimento también demostró un método novedoso de utilizar dispositivos cuánticos para obtener una ventaja sobre los clásicos: una ventaja cuántica. La opinión generalizada entre los científicos es que para obtener una ventaja cuántica se necesitan ordenadores cuánticos con numerosos qubits. Sin embargo, este experimento demostró una ventaja cuántica real con un montaje relativamente sencillo.
Según Paraoanu, "en informática cuántica, nuestro método podría aplicarse para diagnosticar estados de microondas y fotones en determinados elementos de memoria. Puede considerarse una forma muy eficaz de extraer información sin perturbar el funcionamiento del procesador cuántico".
Con su nuevo enfoque, los científicos exploran ahora otras formas exóticas de tratamiento de la información, como la comunicación contrafáctica (comunicación entre dos partes sin que se transfiera ninguna partícula física) y la computación cuántica contrafáctica (en la que el resultado de un cálculo se obtiene sin que, de hecho, funcione el ordenador).
Fuentes, créditos y referencias:
Fuente: Universidad de Aalto