Un nuevo experimento utiliza qubits superconductores para demostrar que la mecánica cuántica viola el llamado realismo local al permitir que dos objetos se comporten como un sistema cuántico, independientemente de cuán grande sea su separación. El experimento no es el primero en mostrar que el realismo local no es la forma en que funciona el universo, no es el primero en hacerlo con qubits.
Pero son los primeros en separar los qubits a una distancia suficiente para garantizar que la luz no sea lo suficientemente rápida como para viajar entre ellos mientras se realizan las mediciones. Hizo esto enfriando un alambre de aluminio de 30 metros de largo a unos pocos milikelvins. Debido a que los qubits son tan fáciles de controlar, el experimento brinda una nueva precisión para este tipo de mediciones. Y preparar el hardware puede ser esencial para futuros esfuerzos de computación cuántica.
Ser real sobre el realismo
Albert Einstein se sentía incómodo con algunas de las consecuencias del entrelazamiento cuántico. Si la mecánica cuántica es correcta, entonces un par de objetos entrelazados se comportarán como un solo sistema cuántico sin importar la distancia entre ellos. Cambiar el estado de uno debe cambiar instantáneamente el estado del segundo, ya que el cambio parece ocurrir más rápido que la posibilidad de que la luz viaje entre los dos objetos. Es casi seguro que esto es incorrecto, argumentó Einstein.
A lo largo de los años, la gente ha propuesto diferentes versiones de las llamadas variables ocultas: propiedades físicas que se comparten entre los objetos, lo que permite un comportamiento similar al enredo y mantiene localizada la información que dicta ese comportamiento. Las variables ocultas mantienen lo que se llama un «realismo local» pero resulta que en realidad no describen nuestra realidad.
El físico John Bell demostró que todos los marcos para las variables locales limitan el grado en que se puede relacionar el comportamiento de los objetos cuánticos. Pero la mecánica cuántica espera que las correlaciones sean aún mayores. Al medir el comportamiento de pares de partículas entrelazadas, podemos determinar si violan las ecuaciones de Bell y, por lo tanto, probar claramente que las variables ocultas no explican su comportamiento.
Los pasos iniciales hacia esta demostración fueron deficientes para las variables ocultas, pero permitieron lagunas: aunque se violó la desigualdad de Bell, aún podría ser que la información viaje entre objetos cuánticos a la velocidad de la luz. Pero en las últimas décadas, las lagunas se han cerrado gradualmente y se han entregado los premios Nobel.
Entonces, ¿por qué volver a los experimentos? En parte porque los qubits nos dan un gran control sobre el sistema, permitiéndonos ejecutar rápidamente una gran cantidad de experimentos e investigar el comportamiento de este entrelazamiento. Y en parte porque presenta un interesante desafío técnico. Los qubits superconductores están controlados por radiación de microondas, y su entrelazamiento requiere mover algunos fotones de microondas de muy baja energía entre los dos. Y hacerlo sin que el ruido ambiental lo estropee todo es un serio desafío.
Acción aterradora a una distancia de 30 metros.
Violar la desigualdad de Bell es una cuestión relativamente simple de medir repetidamente partículas entrelazadas y mostrar que sus estados están correlacionados. Si esta correlación supera un valor crítico, entonces sabemos que las variables ocultas no pueden explicar este comportamiento. Y los qubits superconductores, llamados traslatos, están hechos para que la medición sea trivial, precisa y rápida. Así que esta parte es simple.
La eliminación de una de las principales lagunas en estas mediciones es donde las cosas se complican. Debe demostrar que la correlación en las mediciones no puede estar mediada por información que viaja a la velocidad de la luz. Dado que las mediciones requieren muy poco tiempo para realizarse, esto significa que debe separar los dos qubits a una distancia suficiente para permitir que se complete la medición antes de que la luz viaje entre ellos. Según el tiempo que toman las mediciones, el equipo de investigación detrás del nuevo trabajo, que trabaja en ETH Zürich, calculó que 30 metros serían suficientes.
Si bien esto está justo al final del pasillo en un edificio de laboratorio diferente, 30 metros es bastante desafiante debido al proceso de entrelazamiento, que implica el uso de fotones de microondas de baja energía, que pueden perderse fácilmente en un mar de ruido ambiental. En términos prácticos, esto significa que todo lo que se adjunte a estos fotones debe permanecer a las mismas temperaturas milikelvin que los propios qubits. Por lo tanto, el alambre de aluminio de 30 metros de largo que sirve como guía de ondas para microondas debe enfriarse a una fracción de grado por encima del cero absoluto.
En la práctica, esto significó construir todo el ensamblaje para mantener frío el acceso del cable a sistemas de enfriamiento de helio líquido que contienen qubits en cada extremo, y construir un sistema de enfriamiento separado en el punto central del tubo de 30 metros. El sistema también necesitaba conexiones internas flexibles y soportes externos porque todo se contrae exponencialmente a medida que se enfría.
Sin embargo, todo salió admirablemente. Gracias al rendimiento de los qubits, los investigadores pueden realizar más de un millón de experimentos individuales en solo 20 minutos. Las correlaciones resultantes terminaron por encima del límite establecido por las ecuaciones de Bell por la asombrosa cifra de 22 desviaciones estándar. En otras palabras, el valor p del resultado fue menor a 10-108.
¿Cosas por venir?
Los dos factores principales que limitan el rendimiento del sistema son los errores en los qubits y la pérdida de fotones utilizados en su entrelazamiento. Los investigadores creen que pueden mejorar ambos, lo que podría convertir a los qubits en la prueba más rigurosa para las desigualdades de Bell. Pero el trabajo puede volverse más importante debido a cómo se enredan los qubits.
Todos los que trabajan con qubits superconductores dicen que eventualmente necesitaremos combinar miles de ellos en una sola computadora cuántica. Desafortunadamente, cada uno de estos qubits requiere mucho espacio en el chip, lo que significa que es difícil hacer chips con más de unos pocos cientos de ellos. Entonces, los principales jugadores como Google e IBM eventualmente planean vincular múltiples chips a una sola computadora (algo que la startup Rigetti ya está haciendo).
Sin embargo, para decenas de miles de bits, definitivamente necesitaríamos tantos chips que sería difícil mantenerlos todos en un bit más frío. Esto significa que eventualmente querremos enhebrar los chips en diferentes sistemas de enfriamiento, exactamente lo que se muestra aquí. Entonces, esta es una demostración importante de que podemos, de hecho, interconectar qubits en este tipo de sistemas.
Naturaleza, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05885-0 (sobre los DOI).
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