Máquina cuántica

Una  máquina cuántica es un dispositivo técnico que funciona de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica . La idea de que los objetos macroscópicos pueden seguir las leyes de la mecánica cuántica apareció durante el desarrollo de los fundamentos de la mecánica cuántica a principios del siglo XX [1] [2] . Al mismo tiempo, como lo demuestra el experimento mental con el gato de Schrödinger , en la transición de los sistemas subatómicos a los macroscópicos, la mecánica cuántica se caracteriza por ser incompleta. Experimentos posteriores demostraron que los estados cuánticos de movimiento solo se observaban en condiciones especiales a temperaturas ultrabajas. Los efectos cuánticos en objetos macroscópicos también pueden surgir como resultado de una rápida decoherencia cuántica [3] .

La primera máquina cuántica de la vida real fue creada por O'Connell en 2009 y fue nombrada " Avance del año " en 2010 por la revista Science .

La primera máquina cuántica

La primera máquina cuántica fue creada el 4 de agosto de 2009 por Aaron O'Connell de la Universidad de California, Santa Bárbara , como parte de su doctorado. O'Connell y sus colegas conectaron un resonador mecánico a un qubit  , un dispositivo que puede estar en una superposición de dos estados cuánticos. Fueron capaces de hacer vibrar el resonador a baja y alta frecuencia al mismo tiempo, un efecto que es imposible en la física clásica . El resonador mecánico era lo suficientemente grande como para ser visto a simple vista, aproximadamente del grosor de un cabello humano [4] . Un artículo que describe los resultados obtenidos fue publicado en la revista Nature en marzo de 2010 [5] . La revista Science anunció la creación de la primera máquina cuántica como " Avance del año " en 2010 [6] .

Enfriamiento hasta energía cero

Para demostrar los efectos cuánticos en el funcionamiento del dispositivo, primero fue necesario enfriar el resonador mecánico hasta que alcanzara su estado cuántico base ( estado de energía cero ). En particular, esto requería una temperatura , donde h es la constante de Planck , f es la frecuencia del resonador , k es la constante de Boltzmann . Equipos anteriores de investigadores han intentado lograr este estado, por ejemplo, enfriando un resonador de 1 MHz a una temperatura extremadamente baja de 50 milikelvin [7] . El equipo de O'Connell construyó otro tipo de resonador, el Film Volume Acoustic Resonator (TFBAR) [5] con una frecuencia de resonancia mucho más alta (6 GHz), que alcanzó un estado de energía cero a una temperatura relativamente alta (~0,1 k); Esta temperatura podría alcanzarse fácilmente con un refrigerador de dilución [5] . Durante el experimento, el resonador se enfrió a 25 milikelvin [5] .

Control de estado cuántico

El TFBAR utilizado por el equipo de O'Connell estaba hecho de un material piezoeléctrico , por lo que emitía una señal eléctrica alterna cuando vibraba y, a la inversa, la señal eléctrica podía afectar su vibración. Esto permitió acoplar el resonador a un qubit de fase superconductora  un dispositivo utilizado en computación cuántica cuyo estado cuántico se puede controlar con precisión.

Las oscilaciones de los sistemas mecánicos cuánticos se describen utilizando cuasipartículas elementales: fonones . El enfriamiento del resonador al estado con energía cero puede considerarse equivalente a la eliminación de todos los fonones. Después de alcanzar este estado, el equipo de O'Connell comenzó a mover fonones individuales del qubit al resonador mecánico y, al hacerlo, también pudo transferir el qubit, que estaba en una superposición de dos estados, al resonador [8] . Según la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia , esto hizo posible lograr un estado en el que el resonador "vibraba un poco y mucho al mismo tiempo" [9] . Las vibraciones duraron solo unos pocos nanosegundos, después de lo cual fueron destruidas por influencias externas [10] . El artículo de Nature de O'Connell sobre el experimento señaló: "Esta demostración proporciona una fuerte evidencia de que la mecánica cuántica se aplica a un objeto mecánico lo suficientemente grande como para ser visto a simple vista" [5] .

Notas

  1. ↑ Schrödinger, E.  La situación actual de la mecánica cuántica  // Naturwissenschaften : diario. - 1935. - Vol. 23 , núm. 48 . - pág. 807-812; 823-828; 844-849 . -doi : 10.1007/ BF01491891 . - .
  2. ↑ Leggett, AJ Probando los límites de la mecánica cuántica: motivación, situación actual, perspectivas  // J.  Phys .: Condens. Asunto : diario. - 2002. - vol. 14 , núm. 15 _ - P.R415-R451 . -doi : 10.1088 / 0953-8984/14/15/201 . - . .
  3. ↑ Zurek, W.H. Decoherence, einselection, y los orígenes cuánticos de lo clásico  (inglés)  // Reviews of Modern Physics  : journal. - 2003. - vol. 75 , núm. 3 . - Pág. 715-765 . -doi : 10.1103 / RevModPhys.75.715 . - . — arXiv : quant-ph/0105127 .
  4. ↑ Boyle, Alan . El año en la ciencia: un salto cuántico , MSNBC. Archivado desde el original el 19 de diciembre de 2010. Consultado el 23 de diciembre de 2010.
  5. ↑ 1 2 3 4 5 O'Connell, AD; Hofheinz, M.; Ansmann, M.; Bialczak, RC; Lenander, M.; Lucero, E.; Neeley, M.; hundido, D.; Wang, H. Estado fundamental cuántico y control de un solo fonón de un resonador mecánico  //  Naturaleza: revista. - 2010. - Vol. 464 , núm. 7289 . - Pág. 697-703 . -doi : 10.1038 / nature08967 . - . —PMID 20237473 .
  6. ↑ Cho, Adrián. Avance del año: la primera máquina cuántica  (inglés)  // Ciencia  : revista. - 2010. - Vol. 330 , núm. 6011 . — Pág. 1604 . -doi : 10.1126 / ciencia.330.6011.1604 . - . —PMID 21163978 .
  7. ↑ Steven Girvin, http://www.condmatjournalclub.org/wp-content/uploads/2010/04/jccm_april2010_013.pdf Archivado el 12 de mayo de 2016 en Wayback Machine .
  8. ↑ Markus Aspelmeyer, "Mecánica cuántica: el oleaje está arriba", Nature 464, 685-686 (1 de abril de 2010)
  9. ↑ Brandon Bryn, "Ciencia: los avances de 2010 y las ideas de la década" Archivado el 5 de junio de 2013 en Wayback Machine , Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia, 16 de diciembre de 2010
  10. ↑ Richard Webb, "Primeros efectos cuánticos vistos en objeto visible" Archivado el 29 de abril de 2015 en Wayback Machine , New Scientist, 17 de marzo de 2010

Literatura