Uno de los mayores obstáculos para construir procesadores cuánticos prácticos con átomos neutros no es solo lograr cúbits estables, sino mantenerlos funcionando. Los átomos se pierden por colisiones con el gas de fondo, por el transporte, por errores en las compuertas o durante la lectura.
Reponerlos suele implicar procesos que alteran el estado de los cúbits que ya estaban almacenados. Hasta ahora, había que elegir entre velocidad y coherencia.
Un equipo de la Universidad de Princeton, liderado por Jeff Thompson, ha demostrado que se puede hacer ambas cosas a la vez. En un artículo publicado en Science han logrado recargar átomos de forma rápida, continua y coherente en una matriz de cúbits de átomos neutros.
El tiempo característico de carga es de aproximadamente 1 milisegundo y el transporte posterior tarda otro tanto. Lo más importante: el proceso no introdujo ningún efecto adicional observable sobre la vida útil ni la coherencia de los cúbits almacenados.
El trabajo se titula “Recarga rápida, continua y coherente de átomos en una matriz de cúbits de átomos neutros”. Sus coautores principales son Yi-Yi Li, Yicheng Bao y Michael Peper, con Jeff Thompson como autor correspondiente.
El problema: reponer sin romper la coherencia
Los procesadores cuánticos de átomos neutros han avanzado mucho en escala y precisión. Ya se han demostrado correcciones de errores cuánticos y algoritmos con cúbits lógicos. Pero si solo se puede utilizar un conjunto de átomos preparado antes del cálculo, la profundidad de los circuitos queda limitada por la acumulación de pérdidas y errores.
Reponer átomos normalmente requiere gradientes de campo magnético, enfriamiento y luz de imagen, factores que pueden alterar el estado de los cúbits existentes. Un experimento previo con especies diatómicas logró preservar la coherencia cuántica, pero con un tiempo de carga característico de unos 90 milisegundos. La pregunta era clara: ¿Cómo equilibrar velocidad y coherencia?
La solución: una reserva de átomos fríos y pinzas ópticas móviles
El equipo instaló una región de almacenamiento de átomos fríos de alta densidad cerca del área de computación. Desde allí, unas pinzas ópticas móviles (trampas diminutas formadas por láseres focalizados) extraen los átomos y los transportan a la zona de procesamiento. Un conjunto de múltiples pinzas puede operar varios sitios simultáneamente.
En las pruebas, realizaron repetidamente operaciones de carga, transporte y liberación en una matriz de 256 sitios, alcanzando una frecuencia de hasta 500 ciclos por segundo, lo que equivale a 73.000 átomos extraídos por segundo. No se observó una disminución en la densidad de almacenamiento ni en la probabilidad de carga al aumentar la tasa de extracción. El tiempo de carga característico medido fue de 0,84 milisegundos, casi dos órdenes de magnitud menor que los 90 milisegundos anteriores.
La clave está en un sistema de suministro continuo. Los átomos fríos se originan en una trampa magnetoóptica tridimensional en una cámara de vacío adyacente, se guían unos 35 cm a lo largo de una trampa dipolar óptica con cavidad mejorada y llegan a la región de almacenamiento, donde se enfrían y ralentizan mediante una melaza óptica unidimensional. Una vez en estado estacionario, los átomos pueden suministrarse de forma continua sin necesidad de recargar tras cada extracción.
La matriz de pinzas se genera con un deflector acusto-óptico cruzado que opera a 488 nm. Durante la carga se alinea con la región de almacenamiento; después, un galvanómetro la desplaza unos 300 μm a una región de imagen para reducir la interferencia de la fluorescencia de fondo.
La densidad de almacenamiento aumentó de unos 80.000 millones de átomos por cm³ a unos 430.000 millones cuando el ciclo de trabajo de la melaza óptica pasó del 5 % al 50 %.
La matriz se amplió de 5×5 a 16×16 sin cambios significativos en la constante de tiempo de carga. A la tasa más alta, solo alrededor del 4 % de los átomos que entraban en la región de almacenamiento eran extraídos, lo que indica que aún hay un excedente disponible.
Del átomo atrapado al cúbit: preparación y lectura
Una vez que los átomos entran en las pinzas, no pueden usarse inmediatamente como cúbits. El equipo primero emplea colisiones asistidas por luz para eliminar los átomos sobrantes y dejar uno por sitio. Después realiza imágenes no destructivas, enfriamiento e inicialización.
En condiciones no del todo optimizadas, las colisiones asistidas ópticamente requerían 6 milisegundos, una imagen 4 milisegundos y el enfriamiento a unos 10 microkelvin otros 6 milisegundos. Finalmente, el átomo se bombeaba ópticamente al estado |1⟩ del cúbit metaestable en aproximadamente 0,7 milisegundos.
Los estados |0⟩ y |1⟩ corresponden a dos subniveles de espín nuclear en el estado metaestable ³P₀ del iterbio-171. Para la lectura, el equipo transfiere secuencialmente ambos estados de espín al estado fundamental ¹S₀ y obtiene una imagen de cada uno. El proceso usa primero una transición Raman de dos fotones para llevar el espín objetivo a ³P₂ y luego bombeo óptico a través de ³D₂ para devolverlo al estado fundamental.
Las dos imágenes permiten distinguir tres resultados: la primera brillante corresponde a |0⟩; la primera oscura y la segunda brillante, a |1⟩; y ambas oscuras indican pérdida. Así, el experimento registra la pérdida de un átomo por separado de las lecturas de espín. La probabilidad de obtener un resultado correcto fue del 96,44 % al promediar los dos estados de entrada; excluyendo los eventos de pérdida, la precisión alcanzó el 99,27 %.
Incluyendo preparación y lectura, el equipo pudo procesar continuamente conjuntos de átomos recién cargados a 30 veces por segundo. Reutilizando los átomos restantes tras la lectura no destructiva, la velocidad puede subir a 50 veces por segundo.
La prueba clave: coherencia intacta
El otro gran desafío era demostrar que los cúbits existentes mantenían su coherencia mientras se añadían nuevos átomos.
Para eso, el equipo almacenó información cuántica en el espín nuclear metaestable ³P₀ del iterbio-171, aprovechando su diferencia con las transiciones de enfriamiento e imagen para reducir el impacto de la luz de fabricación atómica.
Compararon dos condiciones: con reposición continua de átomos nuevos y sin reposición posterior. Los resultados fueron contundentes:
- Vida media: 1,30 ± 0,03 s sin reposición; 1,35 ± 0,04 s con reposición.
- Tiempo de coherencia de Ramsey: 0,69 ± 0,02 s sin reposición; 0,73 ± 0,02 s con reposición.
- Eco de Hahn: 7 ± 1 s sin reposición; 5,4 ± 0,9 s con reposición.
Teniendo en cuenta la incertidumbre, no hay indicios de que la reposición provoque una decoherencia adicional detectable. Además, el equipo generó oscilaciones de Rabi entre |0⟩ y |1⟩ mientras reponía átomos, sin observar una disminución extra más allá de la vida útil natural del cúbit. Esto demuestra que la recarga puede realizarse en paralelo con operaciones coherentes de un solo cúbit.
¿Qué significa y qué falta?
Este trabajo no demuestra computación cuántica tolerante a fallos ni profundidad infinita. Pero sí establece una capacidad fundamental: el suministro rápido de nuevos átomos preservando la coherencia de los cúbits existentes. Eso abre la puerta a experimentos de circuito largo que ya no estén limitados por el número inicial de átomos.
Para aplicarlo a un procesador completo, aún hay que combinarlo con reordenamiento atómico, compuertas de dos cúbits y mediciones en circuito intermedio. Al reducir la carga de átomos a ~1 ms, el mayor consumo de tiempo se concentra en las colisiones asistidas por luz, las imágenes no destructivas y el enfriamiento: más del 90 % del tiempo del ciclo, excluyendo el reordenamiento.
El equipo propone usar múltiples conjuntos de pinzas en paralelo y cámaras de alta velocidad para aumentar la frecuencia a cientos de ciclos por segundo en el futuro.
Más allá de la computación cuántica, estas técnicas también podrían reducir el tiempo muerto de medición en relojes atómicos de pinzas ópticas y mejorar la frecuencia de muestreo en simulaciones cuánticas.
Conclusión
La recarga coherente de átomos representa un paso decisivo hacia procesadores cuánticos de átomos neutros que funcionen de forma sostenida.
Durante años, la pérdida de átomos ha sido una limitación silenciosa pero implacable. Ahora, el equipo de Princeton ha demostrado que es posible reponerlos en milisegundos sin sacrificar la información cuántica almacenada.
Todavía queda camino por recorrer, pero la puerta a circuitos más largos y a una operación continua ya está abierta. Y en la carrera hacia la computación cuántica práctica, capacidades fundamentales como esta son las que marcan la diferencia entre un experimento y una tecnología.
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