Memoria cuántica

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Quantum mechanics
${\displaystyle i\hbar {\frac {d}{dt}}|\Psi \rangle ={\hat {H}}|\Psi \rangle }$ Schrödinger equation
Introduction Glossary History
Background Classical mechanics Old quantum theory Bra–ket notation Hamiltonian Interference
Fundamentals Complementarity Decoherence Entanglement Energy level Measurement Nonlocality Quantum number State Superposition Symmetry Tunnelling Uncertainty Wave function Collapse
Experiments Bell's inequality CHSH inequality Davisson–Germer Double-slit Elitzur–Vaidman Franck–Hertz Leggett inequality Leggett–Garg inequality Mach–Zehnder Popper Quantum eraser Delayed-choice Schrödinger's cat Stern–Gerlach Wheeler's delayed-choice
Formulations Overview Heisenberg Interaction Matrix Phase-space Schrödinger Sum-over-histories (path integral)
Equations Dirac Klein–Gordon Pauli Rydberg Schrödinger
Interpretations Bayesian Consistent histories Copenhagen de Broglie–Bohm Ensemble Hidden-variable Local Superdeterminism Many-worlds Objective-collapse Quantum logic Relational Transactional Von Neumann–Wigner
Advanced topics Relativistic quantum mechanics Quantum field theory Quantum information science Quantum computing Quantum chaos EPR paradox Density matrix Scattering theory Quantum statistical mechanics Quantum machine learning
Scientists Aharonov Bell Bethe Blackett Bloch Bohm Bohr Born Bose de Broglie Compton Dirac Davisson Debye Ehrenfest Einstein Everett Fock Fermi Feynman Glauber Gutzwiller Heisenberg Hilbert Jordan Kramers Lamb Landau Laue Moseley Millikan Onnes Pauli Planck Rabi Raman Rydberg Schrödinger Simmons Sommerfeld von Neumann Weyl Wien Wigner Zeeman Zeilinger
v t e

En computación cuántica , la memoria cuántica es la versión cuántico-mecánica de la memoria de computadora común . Mientras que la memoria común almacena información como estados binarios (representados por "1" y "0"), la memoria cuántica almacena un estado cuántico para su posterior recuperación. Estos estados contienen información computacional útil conocida como qubits . A diferencia de la memoria clásica de las computadoras cotidianas, los estados almacenados en la memoria cuántica pueden estar en una superposición cuántica , lo que brinda mucha más flexibilidad práctica en los algoritmos cuánticos que el almacenamiento de información clásico.

La memoria cuántica es esencial para el desarrollo de muchos dispositivos en el procesamiento de información cuántica , incluida una herramienta de sincronización que puede coincidir con los diversos procesos en una computadora cuántica , una puerta cuántica que mantiene la identidad de cualquier estado y un mecanismo para convertir fotones predeterminados en fotones a pedido. La memoria cuántica se puede utilizar en muchos aspectos, como la computación cuántica y la comunicación cuántica. La investigación y los experimentos continuos han permitido que la memoria cuántica permita el almacenamiento de cúbits. ^[1]

La interacción de la radiación cuántica con múltiples partículas ha despertado interés científico durante la última década. ^{[ necesita contexto ]} La memoria cuántica es uno de esos campos, que mapea el estado cuántico de la luz sobre un grupo de átomos y luego lo restaura a su forma original. La memoria cuántica es un elemento clave en el procesamiento de la información, como la computación cuántica óptica y la comunicación cuántica , al tiempo que abre un nuevo camino para la base de la interacción luz-átomo. Sin embargo, restaurar el estado cuántico de la luz no es una tarea fácil. Si bien se han logrado avances impresionantes, los investigadores aún están trabajando para que esto suceda. ^[2]

Se ha demostrado que es posible la memoria cuántica basada en el intercambio cuántico para almacenar qubits de fotones. Kessel y Moiseev ^[3] discutieron el almacenamiento cuántico en el estado de fotón único en 1993. El experimento fue analizado en 1998 y demostrado en 2003. En resumen, el estudio del almacenamiento cuántico en el estado de fotón único puede considerarse como el producto de la tecnología clásica de almacenamiento óptico de datos propuesta en 1979 y 1982, una idea inspirada por la alta densidad de almacenamiento de datos a mediados de la década de 1970 ^{[ cita requerida ]} . El almacenamiento óptico de datos se puede lograr utilizando absorbentes para absorber diferentes frecuencias de luz, que luego se dirigen a puntos del espacio del haz y se almacenan.

Las señales ópticas clásicas normales se transmiten variando la amplitud de la luz. En este caso, se puede utilizar un trozo de papel o un disco duro de ordenador para almacenar información en la lámpara ^{[ aclaración necesaria ]} . Sin embargo, en el escenario de la información cuántica, la información puede codificarse según la amplitud y la fase de la luz. En el caso de algunas señales, no se puede medir tanto la amplitud como la fase de la luz sin interferir en la señal. Para almacenar información cuántica, es necesario almacenar la propia luz sin medirla. Una memoria cuántica de gas atómico registra el estado de la luz en la nube atómica. Cuando la información de la luz se almacena en átomos, la amplitud y la fase relativas de la luz se asignan a los átomos y se pueden recuperar a pedido. ^[4]

En la computación clásica , la memoria es un recurso trivial que puede replicarse en hardware de memoria de larga duración y recuperarse más tarde para su posterior procesamiento. En la computación cuántica, esto está prohibido porque, según el teorema de no clonación , cualquier estado cuántico no puede reproducirse completamente. Por lo tanto, en ausencia de corrección de errores cuánticos , el almacenamiento de qubits está limitado por el tiempo de coherencia interna de los qubits físicos que contienen la información. La "memoria cuántica" más allá de los límites de almacenamiento de qubits físicos dados será una transmisión de información cuántica a "qubits de almacenamiento" que no se ven fácilmente afectados por el ruido ambiental y otros factores. La información se transferiría más tarde de nuevo a los "qubits de proceso" preferidos para permitir operaciones o lecturas rápidas. ^[5]

La memoria cuántica óptica se utiliza habitualmente para detectar y almacenar estados cuánticos de fotones individuales. Sin embargo, la creación de una memoria eficiente de este tipo sigue siendo un gran desafío para la ciencia actual. Un solo fotón tiene tan poca energía que se pierde en un fondo de luz complejo. Estos problemas han mantenido durante mucho tiempo las tasas de almacenamiento cuántico por debajo del 50%. Un equipo dirigido por el profesor Du Shengwang del Departamento de Física de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong ^[6] y el Instituto William Mong de Nanociencia y Tecnología de la HKUST ^[7] ha encontrado una manera de aumentar la eficiencia de la memoria cuántica óptica a más del 85 por ciento. El descubrimiento también acerca la popularidad de los ordenadores cuánticos a la realidad. Al mismo tiempo, la memoria cuántica también puede usarse como repetidor en la red cuántica, que sienta las bases para la Internet cuántica.

La memoria cuántica es un componente importante de las aplicaciones de procesamiento de información cuántica , como la red cuántica , el repetidor cuántico, la computación cuántica óptica lineal o la comunicación cuántica de larga distancia . ^[8]

El almacenamiento óptico de datos ha sido un tema de investigación importante durante muchos años. Su función más interesante es el uso de las leyes de la física cuántica para proteger los datos contra el robo, garantizando de forma incondicional la seguridad de las comunicaciones mediante la computación cuántica y la criptografía cuántica . ^[9]

Permiten que las partículas se superpongan y se encuentren en un estado de superposición , lo que significa que pueden representar múltiples combinaciones al mismo tiempo. Estas partículas se denominan bits cuánticos o qubits. Desde una perspectiva de ciberseguridad, la magia de los qubits es que si un hacker intenta observarlos en tránsito, sus frágiles estados cuánticos se rompen. Esto significa que es imposible que los piratas informáticos manipulen los datos de la red sin dejar rastro. Ahora, muchas empresas están aprovechando esta característica para crear redes que transmiten datos altamente sensibles. En teoría, estas redes son seguras. ^[10]

El centro de nitrógeno-vacante del diamante ha sido objeto de muchas investigaciones en la última década debido a su excelente rendimiento en dispositivos nanofotónicos ópticos. En un experimento reciente, se implementó la transparencia inducida electromagnéticamente en un chip de diamante de múltiples pasadas para lograr una detección completa del campo magnético fotoeléctrico. A pesar de estos experimentos estrechamente relacionados, el almacenamiento óptico aún no se ha implementado en la práctica. La estructura de nivel de energía del centro de nitrógeno-vacante existente (centro de nitrógeno-vacante de carga negativa y neutro) hace posible el almacenamiento óptico del centro de nitrógeno-vacante del diamante.

El acoplamiento entre el conjunto de espín nitrógeno-vacante y los cúbits superconductores brinda la posibilidad de almacenar cúbits superconductores en microondas. El almacenamiento óptico combina el acoplamiento del estado de espín del electrón y los bits cuánticos superconductores, lo que permite que el centro nitrógeno-vacante en el diamante desempeñe un papel en el sistema cuántico híbrido de conversión mutua de luz coherente y microondas. ^[11]

La gran profundidad de luz resonante es la premisa para construir una memoria cuántica-óptica eficiente. Los isótopos de vapor de metales alcalinos tienen una gran profundidad óptica en longitudes de onda del infrarrojo cercano , ya que tienen una línea de espectro relativamente estrecha y una alta densidad en temperaturas cálidas de 50-100 ∘ C. Los vapores alcalinos se han utilizado en algunos de los desarrollos de memoria más importantes, desde las primeras investigaciones hasta los últimos resultados que estamos discutiendo, debido a su gran profundidad óptica, su largo tiempo coherente y su fácil transición óptica al infrarrojo cercano.

Debido a su alta capacidad de transmisión de información, la gente está cada vez más interesada en su aplicación en el campo de la información cuántica. La luz estructurada puede transportar un momento angular orbital , que debe almacenarse en la memoria para reproducir fielmente los fotones estructurales almacenados. Una memoria cuántica de vapor atómico es ideal para almacenar tales haces porque el momento angular orbital de los fotones se puede mapear a la fase y amplitud de la excitación de integración distribuida. La difusión es una limitación importante de esta técnica porque el movimiento de átomos calientes destruye la coherencia espacial de la excitación de almacenamiento. Los primeros éxitos incluyeron el almacenamiento de pulsos débilmente coherentes de estructura espacial en un todo atómico cálido y ultrafrío. En un experimento, el mismo grupo de científicos en una trampa magneto-óptica de cesio pudo almacenar y recuperar haces vectoriales a nivel de fotón único. ^[12] La memoria preserva la invariancia de rotación del haz vectorial, lo que hace posible su uso junto con qubits codificados para la comunicación cuántica inmune desajustada.

La primera estructura de almacenamiento, un fotón único real, se logró con transparencia inducida electromagnéticamente en una trampa magnetoóptica de rubidio. El fotón único previsto generado por la mezcla espontánea de cuatro ondas en una trampa magnetoóptica se prepara mediante una unidad de momento angular orbital que utiliza placas de fase espirales, se almacena en la segunda trampa magnetoóptica y se recupera. La configuración de órbita dual también demuestra la coherencia en la memoria multimodo, donde un fotón único anunciado previamente almacena el estado de superposición del momento angular orbital durante 100 nanosegundos. ^[11]

GEM (Gradient Echo Memory) es un protocolo para almacenar información óptica y se puede aplicar tanto a memorias de gas atómico como de estado sólido. La idea fue demostrada por primera vez por investigadores de la ANU . El experimento en un sistema de tres niveles basado en vapor atómico caliente dio como resultado la demostración de un almacenamiento coherente con una eficiencia de hasta el 87 %. ^[13]

La transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) fue introducida por primera vez por Harris y sus colegas en la Universidad de Stanford en 1990. ^[14] El trabajo mostró que cuando un rayo láser causa una interferencia cuántica entre las rutas de excitación, la respuesta óptica del medio atómico se modifica para eliminar la absorción y la refracción en las frecuencias resonantes de las transiciones atómicas. La luz lenta, el almacenamiento óptico y las memorias cuánticas se pueden lograr basándose en EIT. A diferencia de otros enfoques, la EIT tiene un largo tiempo de almacenamiento y es una solución relativamente fácil y económica de implementar. Por ejemplo, la transparencia inducida electromagnéticamente no requiere los rayos de control de potencia muy altos que generalmente se necesitan para las memorias cuánticas Raman, ni requiere el uso de temperaturas de helio líquido . Además, el eco de fotones puede leer EIT mientras que la coherencia de espín sobrevive debido al retraso de tiempo del pulso de lectura causado por una recuperación de espín en medios ensanchados no uniformemente. Aunque existen algunas limitaciones en la longitud de onda operativa, el ancho de banda y la capacidad de modo, se han desarrollado técnicas para hacer de las memorias cuánticas basadas en EIT una herramienta valiosa en el desarrollo de sistemas de telecomunicaciones cuánticas . ^[11] En 2018, una memoria óptica basada en EIT altamente eficiente en un átomo frío demostró una eficiencia de almacenamiento y recuperación del 92% en el régimen clásico con haces coherentes ^[15] y se demostró una eficiencia de almacenamiento y recuperación del 70% para qubits de polarización codificados en estados coherentes débiles, superando cualquier punto de referencia clásico. ^[16] Después de estas demostraciones, los qubits de polarización de un solo fotón se almacenaron a través de EIT en un conjunto atómico frío ^{de 85} Rb y se recuperaron con una eficiencia del 85% ^[17] y también se logró el entrelazamiento entre dos memorias cuánticas basadas en cesio con una eficiencia de transferencia general cercana al 90%. ^[18]

La transformación mutua de la información cuántica entre la luz y la materia es el foco de la informática cuántica . Se investiga la interacción entre un solo fotón y un cristal enfriado dopado con iones de tierras raras . Los cristales dopados con tierras raras tienen amplias perspectivas de aplicación en el campo del almacenamiento cuántico porque proporcionan un sistema de aplicación único. ^[19] Li Chengfeng del laboratorio de información cuántica de la Academia China de Ciencias desarrolló una memoria cuántica de estado sólido y demostró la función de computación de fotones utilizando tiempo y frecuencia. Con base en esta investigación, se puede construir una red cuántica a gran escala basada en un repetidor cuántico utilizando el almacenamiento y la coherencia de los estados cuánticos en el sistema material. Los investigadores han demostrado por primera vez en cristales dopados con iones de tierras raras. Al combinar el espacio tridimensional con el tiempo bidimensional y el espectro bidimensional, se crea un tipo de memoria que es diferente de la general. Tiene la capacidad multimodo y también se puede utilizar como un convertidor cuántico de alta fidelidad. Los resultados experimentales muestran que en todas estas operaciones, la fidelidad del estado cuántico tridimensional transportado por el fotón se puede mantener en torno al 89%. ^[20]

El diamante tiene una ganancia Raman muy alta en el modo de fonón óptico de 40 THz y tiene una amplia ventana transitoria en una banda visible y cercana al infrarrojo, lo que lo hace adecuado para ser una memoria óptica con una banda muy ancha. Después de la interacción de almacenamiento Raman, el fonón óptico se desintegra en un par de fotones a través del canal, y el tiempo de vida de desintegración es de 3,5 ps, lo que hace que la memoria de diamante no sea adecuada para el protocolo de comunicación.

Sin embargo, la memoria del diamante ha permitido algunos estudios reveladores de las interacciones entre la luz y la materia a nivel cuántico: los fonones ópticos en un diamante se pueden utilizar para demostrar la memoria cuántica de emisión, el entrelazamiento macroscópico, el almacenamiento pre-predicho de un solo fotón y la manipulación de frecuencia de un solo fotón. ^[11]

En el campo de la memoria cuántica, las comunicaciones cuánticas y la criptografía son las líneas de investigación futuras. Sin embargo, la creación de una red cuántica global plantea numerosos retos. Uno de los más importantes es la creación de memorias que puedan almacenar la información cuántica transportada por la luz. Investigadores de la Universidad de Ginebra ( Suiza) en colaboración con el CNRS (Francia) han descubierto un nuevo material en el que un elemento llamado iterbio puede almacenar y proteger la información cuántica, incluso a altas frecuencias. Esto convierte al iterbio en un candidato ideal para las futuras redes cuánticas. Como las señales no se pueden replicar, los científicos están estudiando ahora cómo se puede hacer que las memorias cuánticas viajen cada vez más lejos capturando fotones para sincronizarlos. Para ello, resulta importante encontrar los materiales adecuados para la fabricación de memorias cuánticas. El iterbio es un buen aislante y funciona a altas frecuencias, de modo que los fotones se pueden almacenar y recuperar rápidamente.

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• "Plan" 2007