Dark state as a measurable state by a dispersive readout without a Purcell limit
Este artículo propone un esquema de electrodinámica cuántica de circuitos donde un modo oscuro logra una lectura dispersiva medible comparable a la de un estado brillante mientras mantiene una pérdida de Purcell de cero, violando así el compromiso convencional entre la fuerza de acoplamiento y la decaimiento.
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En el mundo microscópico de la computación cuántica, la información se almacena en estados frágiles que pueden destruirse fácilmente con el más mínimo contacto del entorno. Para leer esta información, los científicos deben conectar estos sistemas cuánticos con el mundo exterior, pero esta misma conexión crea una paradoja peligrosa. Cuanto más fuerte es el vínculo utilizado para medir el sistema, más rápido pierde energía el sistema y colapsa, un fenómeno conocido como decaimiento. Durante años, los investigadores creyeron que debían elegir entre una señal clara y fuerte y un estado cuántico duradero; se podía tener uno, pero no el otro. Este compromiso ha sido un obstáculo importante en la construcción de máquinas que puedan resolver problemas complejos sin desmoronarse.
Un equipo de investigadores en Taiwán ha encontrado ahora una forma de romper esta regla. Diseñaron un diminuto circuito electrónico que contiene dos átomos artificiales superconductores, que actúan como los bloques de construcción básicos de una computadora cuántica. Estos átomos están conectados a un único dispositivo de medición, pero el equipo los dispuso en un patrón específico y simétrico que crea dos tipos distintos de comportamiento. Un tipo de comportamiento, que llaman estado "brillante", interactúa fuertemente con el dispositivo de medición, lo que permite leerlo fácilmente pero hace que pierda energía rápidamente. El otro tipo, un estado "oscuro", está diseñado para que apenas interactúe con el dispositivo de medición, ocultándose eficazmente de la pérdida de energía que normalmente destruye la información cuántica.
El avance reside en cómo hicieron visible este estado oculto. Aunque el estado oscuro no se comunica directamente con el dispositivo de medición, los investigadores descubrieron que aún deja una huella en el sistema a través de una sutil interacción con su compañero brillante. Al medir el estado brillante, pudieron detectar indirectamente la presencia del estado oscuro con casi la misma claridad que si estuviera interactuando directamente. En sus experimentos, el estado oscuro duró casi el doble que el estado brillante, demostrando que estaba protegido del rápido decaimiento que usualmente limita cuánto tiempo puede sobrevivir un bit cuántico. Sin embargo, a pesar de esta protección, el estado oscuro todavía desplazó la frecuencia del dispositivo de medición de una manera que podía distinguirse claramente del estado fundamental.
El experimento se llevó a cabo en un chip microscópico enfriado a una temperatura justo por encima del cero absoluto. Los investigadores utilizaron pulsos de microondas para impulsar el sistema hacia el estado brillante o el oscuro. Cuando intentaron medir el estado oscuro directamente a través de la conexión principal, este permaneció silencioso, confirmando que, en efecto, estaba blindado contra las fugas de energía habituales. Sin embargo, cuando observaron cómo respondía el sistema a una sonda suave, encontraron que el estado oscuro todavía causaba un desplazamiento medible en la frecuencia del resonador. Este desplazamiento fue casi idéntico al causado por el estado brillante, demostrando que la información estaba allí para ser leída sin la penalización de un decaimiento rápido.
Este descubrimiento sugiere un nuevo camino para la computación cuántica. Al utilizar este "modo oscuro", los científicos podrían ser capaces de almacenar información cuántica durante períodos más largos mientras aún pueden leerla cuando sea necesario. Los investigadores demostraron que el estado oscuro podía prepararse y medirse con alta fiabilidad, ofreciendo una forma de mantener la información cuántica segura del entorno sin hacerla invisible para el observador. Este enfoque podría ser particularmente útil para detectar y corregir errores en las futuras computadoras cuánticas, donde preservar el estado de la información es tan importante como leerla. El trabajo demuestra que, mediante la disposición cuidadosa de las conexiones entre los componentes cuánticos, es posible tener lo mejor de ambos mundos: un estado que es tanto duradero como mensurable.
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