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Inicio > Prensa > Ecuación maestra para hacer avanzar las tecnologías cuánticas: el análisis financiado por FQXi ayudará a los físicos a controlar los sistemas cuánticos en tiempo real con un control de retroalimentación extremadamente preciso
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Bjorn Annby-Andersson CRÉDITO Crédito de la foto: Bjorn Annby-Andersson |
Resumen:
A medida que el tamaño de la tecnología moderna se reduce a la nanoescala, se hacen evidentes extraños efectos cuánticos, como túneles cuánticos, superposición y entrelazamiento. Esto abre la puerta a una nueva era de tecnologías cuánticas donde se pueden explotar los efectos cuánticos. Muchas tecnologías cotidianas utilizan de forma rutinaria el control de retroalimentación; Un ejemplo clave es el marcapasos cardíaco, que debe monitorear el latido del corazón del usuario y aplicar señales eléctricas para controlarlo solo cuando sea necesario. Pero los físicos aún no tienen una comprensión equivalente del control de retroalimentación a nivel cuántico. Ahora, los físicos financiados por FQXi han desarrollado una «ecuación maestra» que ayudará a los ingenieros a comprender la retroalimentación a escala cuántica. Sus resultados se publican en la revista Physical Review Letters.
Master Equation to Advance Quantum Technologies: el análisis financiado por FQXi ayudará a los físicos a controlar los sistemas cuánticos en tiempo real con un control de retroalimentación extremadamente preciso
Decatur, Georgia | Publicado el 26 de agosto de 2022
«Es importante estudiar cómo se puede usar el control de retroalimentación en las tecnologías cuánticas para desarrollar métodos eficientes y rápidos para controlar los sistemas cuánticos de modo que puedan controlarse en tiempo real y con alta precisión», dice el coautor Björn Annby-Andersson, Quantum. físico de la Universidad de Lund en Suecia.
Un ejemplo de un proceso de control de retroalimentación crucial en la computación cuántica es la corrección de errores cuánticos. Una computadora cuántica codifica información en qubits físicos, que pueden ser fotones de luz o átomos, por ejemplo. Pero las propiedades cuánticas de los qubits son frágiles, por lo que es probable que la información codificada se pierda si los qubits se ven perturbados por vibraciones o campos electromagnéticos fluctuantes. Esto significa que los físicos deben poder detectar y corregir dichos errores, por ejemplo, mediante el uso de control de retroalimentación. Esta corrección de errores se puede implementar midiendo el estado de los qubits y, cuando se detecta una desviación de lo esperado, aplicando retroalimentación para corregirla.
«Es importante estudiar cómo se puede usar el control de retroalimentación en las tecnologías cuánticas para desarrollar métodos eficientes y rápidos para controlar los sistemas cuánticos de modo que puedan controlarse en tiempo real y con alta precisión», dice el coautor Björn Annby-Andersson, Quantum. físico de la Universidad de Lund en Suecia.
Pero controlar la retroalimentación a nivel cuántico presenta desafíos únicos precisamente por la fragilidad que los físicos están tratando de mitigar. Esta naturaleza delicada significa que incluso el propio proceso de retroalimentación podría destruir el sistema. «Es necesario interactuar solo débilmente con el sistema medido para obtener las propiedades que queremos usar», dice Annby-Andersson.
Por lo tanto, es importante desarrollar una comprensión teórica completa del control de retroalimentación cuántica para establecer sus limitaciones fundamentales. Sin embargo, la mayoría de los modelos teóricos existentes de control de retroalimentación cuántica requieren simulaciones por computadora, que generalmente brindan solo resultados cuantitativos para sistemas específicos. «Es difícil sacar conclusiones cualitativas generales», dice Annby-Andersson. «Los pocos modelos que pueden proporcionar una comprensión cualitativa solo son aplicables a una clase limitada de sistemas controlados por retroalimentación; este tipo de retroalimentación generalmente se denomina retroalimentación lineal».
‘pluma y papel’
Annby-Andersson y sus colegas ahora han desarrollado una ecuación maestra llamada ‘ecuación cuántica de Fokker-Planck’ que permite a los físicos rastrear la evolución de cualquier sistema cuántico controlado por retroalimentación a lo largo del tiempo. «La ecuación puede describir escenarios que van más allá de la retroalimentación lineal», dice Annby-Andersson. «En particular, la ecuación se puede resolver con lápiz y papel en lugar de tener que depender de simulaciones por computadora».
El equipo probó su ecuación aplicándola a un modelo de retroalimentación simple. Esto confirmó que la ecuación brinda resultados físicamente significativos y también demostró cómo se puede recolectar energía en sistemas microscópicos mediante el control de retroalimentación. «La ecuación es un punto de partida prometedor para futuros estudios sobre cómo se puede manipular la energía utilizando información a nivel microscópico», dice Annby-Andersson.
El análisis y los experimentos relacionados están financiados en parte por una subvención del Foundational Questions Institute, FQXi. «Es un gran ejemplo de colaboración exitosa entre dos equipos diferentes en la Universidad de Maryland, College Park y la Universidad de Lund», dice el coautor y miembro de FQXi Peter Samuelsson, físico cuántico de la Universidad de Lund.
«La ecuación es un punto de partida prometedor para futuros estudios sobre cómo se puede manipular la energía utilizando información a nivel microscópico», dice Annby-Andersson.
El equipo ahora está estudiando un sistema que utiliza la retroalimentación para manipular la energía en «puntos cuánticos»: pequeños cristales semiconductores de solo una billonésima parte de un metro de diámetro. «Una dirección futura importante es usar la ecuación como una herramienta para inventar nuevos protocolos de retroalimentación que puedan usarse para tecnologías cuánticas», dice Annby-Andersson.
Este trabajo fue apoyado en parte por el programa Information as Fuel de FQXi. Puede leer más sobre el avance del equipo en el artículo FQXi del Foundational Questions Institute: «Connect the Quantum Dots for a New Kind of Fuel» de Colin Stuart.
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