En 1935, el físico Erwin Schrödinger presentó el experimento mental con el gato cuántico, en el que el gato está encerrado en una caja junto con una muestra radiactiva, un detector y una cantidad letal de veneno. Si el material radiactivo se descompone, el detector activa una alarma y se libera el veneno. La característica especial es que, de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica, a diferencia de la experiencia cotidiana, no está claro si el gato está vivo o muerto. Serían ambas cosas al mismo tiempo hasta que un experimentador eche un vistazo. Solo se obtendría un estado a partir del momento de esta observación.

Desde principios de la década de 1980, los investigadores han podido realizar esta superposición de estados cuánticos experimentalmente en el laboratorio utilizando diversos enfoques. "Sin embargo, estos estados de gatos son extremadamente sensibles. Incluso las interacciones térmicas más pequeñas con el medio ambiente hacen que colapsen", explica Tommaso Calarco de Forschungszentrum Jülich. Entre otras cosas, desempeña un papel de liderazgo en la principal iniciativa cuántica de Europa, el programa insignia cuántica de la UE. "Por esta razón, solo es posible obtener significativamente menos bits cuánticos en los estados de gato Schrödinger que aquellos que existen independientemente uno del otro".

De los últimos estados, los científicos ahora pueden controlar más de 50 en experimentos de laboratorio. Sin embargo, estos bits cuánticos, o qubits para abreviar, no muestran las características especiales del gato de Schrödinger en contraste con los 20 qubits que el equipo de investigadores ha creado ahora usando un simulador cuántico programable, estableciendo así un nuevo registro que aún es válido incluso si Se tienen en cuenta otros enfoques físicos con fotones ópticos, iones atrapados o circuitos cuánticos superconductores.

Expertos de varias de las instituciones más reconocidas del mundo unieron fuerzas para desarrollar el experimento. Además de los investigadores de Jülich, participaron científicos de numerosas universidades estadounidenses importantes (Harvard, Berkeley, MIT y Caltech), así como la Universidad italiana de Padua.

"Los Qubits en estado de gato se consideran extremadamente importantes para el desarrollo de tecnologías cuánticas", explica Jian Cui. "El secreto de la enorme eficiencia y rendimiento que se espera de las futuras computadoras cuánticas se encuentra en esta superposición de estados", dice el físico del Instituto Peter Grünberg de Jülich (PGI-8).

Los bits clásicos en una computadora convencional siempre solo tienen un cierto valor, que se compone de 0 y 1, por ejemplo. Por lo tanto, estos valores solo pueden procesarse poco a poco uno tras otro. Qubits, que tienen varios estados simultáneamente debido al principio de superposición, pueden almacenar y procesar varios valores en paralelo en un solo paso. El número de qubits es crucial aquí. No llegas lejos con solo un puñado de qubits. Pero con 20 qubits, el número de estados superpuestos ya supera el millón. Y 300 qubits pueden almacenar más números simultáneamente que partículas en el universo.

El nuevo resultado de 20 qubits ahora se acerca un poco más a este valor, después de que el antiguo registro de 14 qubits permaneciera sin cambios desde 2011. Para su experimento, los investigadores utilizaron un simulador cuántico programable basado en matrices de átomos de Rydberg. En este enfoque, los átomos individuales, en este caso los átomos de rubidio, son capturados por rayos láser y se mantienen en su lugar uno al lado del otro en una fila. La técnica también se conoce como pinzas ópticas. Un láser adicional excita los átomos hasta que alcanzan el estado de Rydberg, en el que los electrones se encuentran mucho más allá del núcleo.

Este proceso es bastante complicado y generalmente lleva demasiado tiempo, de modo que el delicado estado del gato se destruye antes de que pueda medirse. El grupo en Jülich contribuyó con su experiencia en Quantum Optimal Control para resolver este problema. Al apagar y encender inteligentemente los láseres a la velocidad correcta, lograron acelerar el proceso de preparación que hizo posible este nuevo registro.

"Prácticamente inflamos algunos átomos hasta tal punto que sus capas atómicas se fusionan con los átomos adyacentes para formar simultáneamente dos configuraciones opuestas, a saber, excitaciones que ocupan todos los sitios pares o impares", explica Jian Cui. "Esto llega tan lejos que las funciones de onda se superponen como en la analogía del gato de Schrödinger y pudimos crear la superposición de las configuraciones opuestas que también se conoce como el estado de Greenberger-Horne-Zeilinger".

Sus avances en la investigación cuántica se complementaron con los esfuerzos de un grupo de investigación chino, que también se publicó en la edición actual de Ciencia. Utilizando circuitos cuánticos superconductores, los investigadores lograron crear 18 qubits en el estado de Greenberger-Horne-Zeilinger, que también es un nuevo récord para este enfoque experimental.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Forschungszentrum Juelich. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.

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