La vida a la vora del món quàntic.

La física quàntica estableix les lleis que dominen l'univers a petita escala. 

La capacitat d'aprofitar els fenomens quàntics pot donar lloc a les computadores quàntiques, que es preveu realitzaran certs càlculs molt més ràpidament que els ordinadors convencionals. Un dels principals problemes amb la construcció de processadors quàntics és que el seguiment i el control dels sistemes quàntics en temps real és una tasca difícil, ja que els sistemes quàntics són, per descomptat, fràgils: treballar amb aquests sistemes implacablement introdueix errors significatius en el resultat final. El nou treball d'un equip d'Aalto podria ser la solució per fer ordinadors quàntics precisos.

Els circuits superconductors que componen un dispositiu de transmissió es poden utilitzar per al control de l'estat quàntic. Font: Dong Lan i Sorin Paraoanu

Els investigadors van informar que controlen els fenomens quàntics en un circuit elèctric dissenyat a la mida que anomenen transmon. L'escalfament d'un xip en unes quantes mil·lèsimes d'un grau per sobre del zero absolut indueix un estat quàntic de manera que, el xip comença a comportar-se com un àtom artificial. Una de les característiques quàntiques que interessa als investigadors és que l' energia del transmon només pot prendre valors específics, anomenats nivells d'energia. Els nivells d'energia són com passos en una escala és a dir, quan una persona que puja per l'escala només pot fer-ho d'esglaó en esglaó. De la mateixa manera, l'energia només pot ocupar els valors fixats dels nivells d'energia. Les microones  del circuit indueixen el transmon per absorbir l'energia i així, pujar els esglaons de l'escala.

En el treball publicat recentment a la revista Science Advances, el grup d'Aalto University, liderat pel Docent Sorin Paraoanu, professor titular del Departament de Física Aplicada, ha fet que el transmon superés un nivell d'energia una sola vegada. Anteriorment, això només ha estat possible mitjançant ajustos molt suaus i lents dels senyals de microones que controlen el dispositiu. En el nou treball, un senyal de control addicional de microones amb forma molt específica permet un canvi ràpid i precís del nivell energètic. El Dr. Antti Vepsäläinen, l'autor principal, diu: "Tenim una dita a Finlàndia:" Hiljaa hyvää tulee "(poc a poc es va fent). Però vam poder demostrar que mitjançant la correcció contínua de l'estat del sistema, podem impulsar aquest procés més ràpidament i amb alta fidelitat ".

El Dr. Sergey Danilin, un dels coautors, descriu el control quàntic -el procés d'ús de fitxes com transmons per a la construcció d'ordinadors quàntics- estenent l'analogia "pujar per una escala". Per obtenir un sistema quàntic útil, cal imaginar pujar una escala mentre es sosté un got d'aigua, funciona si es fa sense problemes, però si es fa massa ràpid, l'aigua es vessa, per tant, requereix una habilitat especial. 

Font: Squarespace.com

Els investigadors van trobar que, en el món quàntic, el truc per pujar l'escala ràpidament sense vessar aigua és saltant acuradament dos graons a la vegada. Aquesta escurçament de l' escala d' energia es va aconseguir fent que el transmon absorbeixi dos fotons de microones al mateix temps. Les lleis de la natura posen una restricció sobre la rapidesa amb què es pot produir qualsevol canvi d'energia quàntica, fins i tot amb retallades, una restricció anomenada límit de velocitat quàntica. Com a satisfacció, els científics d'Aalto van trobar que el seu nou mètode va generar canvis en el nivell d'energia que es van produir a velocitats properes a aquest límit calculat teòricament.

Són de potencial importància per la informàtica quàntica i les aplicacions de simulació quàntica, que requereixen operacions ràpides i altament robustes com la preparació de l'estat i la creació de portes quàntiques. El Dr. Paraoanu considera també altres oportunitats tals com la de comprendre més profundament els processos relacionats amb la transferència energètica, que són omnipresents tant en el món natural i en la tecnologia. Per exemple, hi ha límits fonamentals de com de ràpid es pot carregar la bateria d'un cotxe elèctric.  En el camp de ràpid creixement de les tecnologies quàntiques, és possible que aquest nou mètode de control contingui múltiples aplicacions.

Font: Universitat Aalto