Estados cuánticos de cúmulo multinivel transmitidos por fibra óptica de 29 km

Científicos han logrado transmitir estados cuánticos de cúmulo codificados en el tiempo a través de 29 kilómetros de fibra óptica parcialmente desplegada. Este avance representa un paso significativo hacia la construcción de redes de comunicación cuántica robustas y escalables. La codificación en el tiempo, que utiliza la llegada de fotones en diferentes instantes para representar información, es menos susceptible a la decoherencia y a las pérdidas de señal que otras técnicas, lo que la hace ideal para transmisiones a larga distancia. Los estados de cúmulo son un tipo particular de entrelazamiento cuántico que se considera un recurso clave para la computación cuántica de una sola vía y la corrección de errores cuánticos. La capacidad de generar y distribuir estos estados a través de distancias significativas es fundamental para el desarrollo de la internet cuántica. El experimento utilizó una configuración que permitía la codificación de múltiples niveles de información (qudits) en cada fotón, aumentando la densidad de información transmitida y la eficiencia del sistema. La fibra óptica empleada en el experimento no era una fibra de laboratorio prístina, sino una infraestructura ya existente y parcialmente desplegada, lo que añade realismo al logro y demuestra la viabilidad de integrar estas tecnologías en redes de comunicación actuales. Este resultado abre nuevas vías para la implementación práctica de protocolos de comunicación cuántica y la interconexión de procesadores cuánticos distribuidos, sentando las bases para futuras aplicaciones en criptografía cuántica y computación en la nube cuántica.

Trampa nanofotónica híbrida mejora el almacenamiento y coherencia atómica

Científicos han desarrollado una trampa nanofotónica híbrida que permite almacenar átomos neutros de rubidio (⁸⁷Rb) con tiempos de coherencia excepcionalmente largos. Este avance es crucial para el desarrollo de la computación cuántica y la metrología de precisión, ya que la capacidad de mantener la coherencia cuántica de los átomos durante periodos prolongados es un requisito fundamental para estas tecnologías. La trampa combina las ventajas de las trampas ópticas tradicionales con las de los dispositivos nanofotónicos, logrando una interacción luz-materia más eficiente y un mayor control sobre los estados atómicos. El diseño de la trampa se basa en una guía de ondas nanofotónica de nitruro de silicio (Si₃N₄) que genera un campo evanescente para atrapar los átomos a una distancia de aproximadamente 100 nm de la superficie. Esta proximidad permite una fuerte interacción con la luz, mientras que la geometría del dispositivo minimiza los efectos de calentamiento y decoherencia. Los investigadores lograron tiempos de almacenamiento de hasta 10 segundos y tiempos de coherencia de hasta 20 milisegundos para los estados de espín de los átomos de ⁸⁷Rb, superando significativamente los resultados obtenidos con trampas puramente ópticas o nanofotónicas. La clave del éxito reside en la integración de la guía de ondas nanofotónica con un sistema de enfriamiento y atrapamiento atómico de última generación. Este enfoque híbrido permite manipular y leer los estados cuánticos de los átomos con alta fidelidad, abriendo nuevas vías para la construcción de procesadores cuánticos escalables y sensores cuánticos de alta sensibilidad. Los resultados demuestran el potencial de las plataformas nanofotónicas para controlar y explotar las propiedades cuánticas de los átomos neutros en el régimen de interacción fuerte. Este avance representa un paso significativo hacia la realización de ordenadores cuánticos basados en átomos neutros, así como para el desarrollo de relojes atómicos y magnetómetros de mayor precisión. La capacidad de mantener la coherencia cuántica en un entorno nanofotónico abre la puerta a la integración de estos sistemas en chips, lo que podría conducir a dispositivos cuánticos compactos y robustos. Futuras investigaciones se centrarán en escalar el número de átomos atrapados y en explorar nuevas arquitecturas para la computación cuántica y la simulación cuántica.

Demuestran que cualquier unitaria cuántica puede tener profundidad constante

Un nuevo estudio ha revelado que cualquier operación unitaria de n cúbits puede ser aproximada con una precisión ε mediante un circuito cuántico de profundidad polinómica en n y log(1/ε), utilizando un número exponencial de cúbits auxiliares. Este hallazgo es sorprendente, ya que tradicionalmente se asumía que la implementación de unitarias generales requería una profundidad exponencial. La capacidad de "paralelizar" estas operaciones a profundidad polinómica abre nuevas vías para el diseño de algoritmos cuánticos. El avance se basa en una conexión novedosa entre el problema de síntesis unitaria, previamente explorado por Aaronson y Kuperberg, y conceptos de la teoría de la complejidad y la criptografía, como los códigos decodificables localmente y la recuperación de información privada. Esta interconexión ha permitido desarrollar una construcción que desafía las suposiciones previas sobre la complejidad de los circuitos cuánticos. Además, los investigadores demostraron que si se permiten puertas con fan-out ilimitado (es decir, una salida puede ser la entrada de múltiples puertas), estos circuitos pueden reducirse aún más a una profundidad constante. Esto significa que, bajo ciertas condiciones de hardware, la ejecución de operaciones cuánticas complejas podría realizarse en un tiempo computacionalmente muy reducido, independientemente del número de cúbits de entrada, lo que tiene implicaciones profundas para la computación cuántica a gran escala.

Nuevo algoritmo cuántico acelera el cálculo de funciones de correlación

Investigadores han desarrollado un novedoso algoritmo cuántico que optimiza significativamente el cálculo de funciones de correlación de equilibrio, una magnitud fundamental para describir las propiedades dinámicas de los sistemas físicos. A diferencia de los métodos cuánticos convencionales, que requieren un circuito cuántico distinto para cada punto temporal, este nuevo enfoque permite computar todos los puntos temporales simultáneamente con un único circuito. Esto representa una mejora sustancial en la eficiencia computacional, reduciendo drásticamente los recursos cuánticos necesarios. Los algoritmos cuánticos previos para estas funciones, como el test de Hadamard o los métodos variacionales, escalaban con una complejidad de al menos O(Nₜ) ejecuciones de circuito y O(Nₜ²) puertas cuánticas, donde Nₜ es el número de puntos temporales. El nuevo algoritmo, sin embargo, utiliza O(log Nₜ) cúbits auxiliares para codificar el tiempo como una variable cuántica. Esta paralelización efectiva permite que el circuito se ejecute solo O(log Nₜ) veces, resultando en una complejidad total de O(Nₜ log Nₜ) recursos cuánticos para sistemas grandes. Los autores demuestran que esta escala es óptima y validan su método calculando la función de Green de un modelo de Hubbard unidimensional sin espín. La capacidad de calcular eficientemente las funciones de correlación de equilibrio es crucial para comprender y predecir el comportamiento de materiales y sistemas cuánticos complejos. Este avance podría acelerar la investigación en campos como la ciencia de materiales, la química cuántica y el diseño de nuevos dispositivos. La optimización en el uso de recursos cuánticos acerca la posibilidad de realizar simulaciones de sistemas cuánticos que actualmente son inabordables para los ordenadores clásicos, abriendo nuevas vías para el descubrimiento científico.

Nuevos teoremas de de Finetti cuánticos mejoran cotas de error en canales

Investigadores han desarrollado nuevas versiones de los teoremas de de Finetti cuánticos, aplicables tanto a estados como a canales cuánticos, y válidas para cualquier medida de distancia. Estos teoremas, que tradicionalmente aproximan las marginales de k-sistemas de estados invariantes por permutación de n-sistemas mediante mezclas de estados independientes e idénticamente distribuidos (iid), ahora se presentan en una forma más robusta de desigualdades de operadores. Esto implica que las cotas de error son válidas para cualquier norma de Schatten y para cualquier divergencia cuántica de Rényi que satisfaga el procesamiento de datos. En el caso estándar, para una dimensión local fija, la nueva cota de error de k/n en la entropía max-relativa representa una mejora significativa respecto a la cota previamente conocida de k²/n, incluso en el ámbito clásico. El enfoque basado en desigualdades de operadores es particularmente útil para estudiar las representaciones de de Finetti de canales, dado que el orden de operadores entre estados de Choi es equivalente al orden de positividad completa (CP) entre los canales subyacentes. Para canales covariantes por permutación N⁽ⁿ⁾:Aⁿ→Bⁿ, con d_A=dim A, se demuestra que el canal reducido de k-sistemas está CP-dominado por una mezcla de canales de potencia tensorial con un error de O(k/√n) y una dependencia polinómica de las dimensiones locales. Esto resuelve una cuestión planteada previamente por Berta et al. Además, bajo la condición de no señalización, se ha probado un teorema de de Finetti exponencial para canales, donde la mezcla aproximante consiste en canales Choi-casi-iid, cuyos estados de Choi normalizados son casi-iid en el sentido de Mazzola-Sutter-Renner. En el caso de r defectos, el error de representación es como máximo poly(n)(2d_A⁴k³/(nr²))⁽ʳ⁺¹⁾/² y disminuye exponencialmente con n para una elección adecuada de los parámetros r y k.

El problema del bandido cuántico de una copia se reduce a uno clásico

Un nuevo estudio demuestra que el problema del bandido cuántico de una copia, en el que cada "brazo" proporciona un estado cuántico desconocido y la recompensa se define por un efecto cuántico conocido, puede resolverse de manera óptima utilizando estrategias clásicas. Los investigadores han probado que la entropía relativa medida desde un estado del brazo hasta su "semi-espacio de recompensa confuso" es equivalente a la función de Burnetas-Katehakis clásica, que se basa en las estadísticas espectrales del efecto cuántico. Esto implica que la complejidad cuántica inherente al problema se colapsa a una descripción clásica en este escenario específico. El trabajo establece que una medición espectral del efecto cuántico, combinada con un algoritmo clásico de tipo KL-UCB (Upper Confidence Bound basado en la divergencia Kullback-Leibler), es asintóticamente óptima. Esto significa que ni las mediciones adaptativas o aleatorias, ni el almacenamiento de copias para mediciones posteriores, pueden mejorar el coeficiente principal de la tasa de arrepentimiento logarítmico. Este resultado es válido para cualquier dimensión finita y para cualquier efecto de recompensa bajo las suposiciones de no degeneración establecidas, proporcionando una cota de tiempo finito para efectos generales y distribuciones de frontera. La implicación clave es que cualquier mejora adicional en la resolución de este tipo de problemas de bandidos cuánticos requeriría mediciones que vayan más allá de la clase de una sola copia. Para políticas consistentes que emplean memoria cuántica arbitraria, un argumento de entropía relativa amortizada establece un límite inferior con la divergencia de Umegaki. Los autores señalan que si los límites inferiores de arrepentimiento por brazo, 1/Kᵢₙ𝖿 y 1/Dᵢₙ𝖿, coinciden si y solo si el brazo conmuta con el efecto F. La cuestión de si el límite de Umegaki es alcanzable sigue siendo un problema abierto, con evidencia numérica que sugiere que podría requerir el uso de dos copias.