En las profundidades del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi se encuentra un nuevo sensor cuántico y centro de investigación computacional llamado QUIET, y en la superficie, a 100 metros de altura, se encuentra su gemelo llamado LOUD.

La infraestructura de investigación cuántica se encuentra entre las primeras de su tipo en funcionar en los Estados Unidos. Juntos, QUIET y LOUD permitirán experimentos controlados utilizando sensores cuánticos para realizar comparaciones directas entre el entorno con una interferencia de rayos cósmicos significativamente reducida y el entorno de la superficie de la Tierra.

La información cuántica almacenada en los qubits es frágil: las interacciones del entorno hacen que los estados cuánticos se descohesionen y finalmente colapsen en un solo estado. Debido a que los qubits superconductores se ven afectados negativamente por los rayos cósmicos y las partículas energéticas asociadas, como los muones, es crucial comprender cómo afecta esto a estos pequeños dispositivos. El conocimiento adquirido podría permitir a los investigadores manipular y proteger mejor los estados cuánticos, e incluso contribuir a una variedad de otras aplicaciones, incluida la detección de materia oscura.

Las partículas de alta energía afectan a los qubits superconductores

“No es sorprendente que cuando una de estas partículas altamente energéticas — “. Instrumentos y sensores cuánticos para la exploración científica del Centro de Ciencias Cuánticas, con sede en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía. Fermilab es uno de los socios fundadores de QSC.

Esta interferencia puede destruir la información de un chip cuántico en una fracción de segundo, lo que provoca que los qubits pierdan información. Esto limitará significativamente los cálculos a gran escala en ordenadores cuánticos, según Daniel Baxter, científico del Fermilab y miembro del QSC.

“No es un problema todavía, pero lo veremos en el futuro”, dijo Baxter. “El objetivo es resolver el problema antes de llegar allí, porque sabemos que será un factor limitante si lo solucionamos temprano, prepararemos el terreno a medida que avanzamos en el camino hacia la computación cuántica”.

Uno de los objetivos de QUIET es comprender la diferencia entre el efecto de los rayos gamma, los rayos X, los muones y las partículas beta en los qubits superconductores. Existen grandes diferencias en cómo interactúan estas moléculas en la materia. Por ejemplo, una partícula beta interactúa con los átomos de la superficie de un material, mientras que un muón la atraviesa, depositando energía más y más profundamente en el material. Sin embargo, actualmente se sabe poco sobre los matices de cómo estas partículas interactúan con los qubits superconductores.

El uso de QUIET para comprender el efecto de las partículas perdidas de alta energía en los qubits superconductores podría permitir a los investigadores construir nuevos modelos que sean menos sensibles a la radiación. Esta investigación implica tomar qubits que han sido probados en la superficie y luego moverlos bajo tierra, donde el flujo de muones y rayos cósmicos es mucho menor, para determinar cómo cambia su rendimiento. Los posibles nuevos modelos podrían funcionar de dos maneras: los investigadores podrían centrarse en proteger los qubits de las interferencias o diseñar dispositivos que no sean sensibles a ellas en primer lugar.

Aplicaciones de la materia oscura

Alternativamente, el uso de qubits como sensores para crear nuevos detectores que sean altamente sensibles a la radiación también podría ser útil para detectar materia oscura.

Actualmente, la mayoría de las técnicas se limitan a detectar materia oscura que sólo es sensible por encima de la escala del electrón-voltio, que representa la energía ganada cuando la carga de un electrón se acelera a través de una diferencia de potencial de un voltio. Estos nuevos sensores cuánticos altamente sensibles que pueden detectar por debajo de la escala de electronvoltios pueden permitir a los científicos probar una gama más amplia de modelos teóricos de materia oscura.

“Un detector más sensible que utilice qubits superconductores, que pueden ser más de un factor de mil más pequeños que la escala de electronvoltios, nos permitirá detectar depósitos de energía que son mucho más pequeños de lo que es posible en los experimentos actuales de materia oscura”, dijo Zhou. “Esto nos permitirá detectar materia oscura con menos masa, porque es más fácil detectar el impacto de un tren de carga que de una pelota de ping-pong”.

Profundo bajo tierra

QUIET fue creado como parte de la Iniciativa Cuántica Nacional. El espacio subterráneo que utiliza fue creado originalmente por Fermilab para experimentos con neutrinos. Las líneas de luz de neutrinos son seguras cuando están encendidas y el espacio disponible se puede utilizar para otros experimentos.

“Las instalaciones subterráneas son raras y exclusivas de Fermilab, y Fermilab aprovecha este espacio subterráneo para la ciencia de vanguardia”, dijo Baxter. La comodidad de QUIET también es destacable respecto a otros espacios subterráneos. “Si estuviera sentado en mi oficina, podría estar bajo tierra en diez minutos”, añadió Baxter.

Científicos cuánticos y de materia oscura de todo el mundo planean crear instalaciones similares para realizar pruebas cuánticas subterráneas en minas profundas. Por ejemplo, los científicos del Centro de Materiales y Sistemas Cuánticos Superconductores del Fermilab han comenzado a probar qubits en el laboratorio construido debajo de la montaña Gran Sasso en Italia. Aunque el software de QUIET no es profundo, su accesibilidad proporciona una gran ventaja.

Además, otros laboratorios nacionales cuentan con espacios subterráneos. QUIET proporciona una reducción del 99 % en el flujo de muones y brinda a los científicos la oportunidad de aprovechar este recurso subterráneo de fácil acceso para realizar ciencia de vanguardia.

El tranquilo espacio del laboratorio subterráneo ofrece protección contra las interferencias causadas por los rayos cósmicos. Imagen: Ryan Postel, Fermilab

El futuro de la calma

QUIET, que tardó dos años y medio en construirse, se encuentra actualmente en la fase de puesta en funcionamiento y debería estar operativo en los próximos meses. Los científicos han instalado y probado un refrigerador de dilución, esencial para implementar qubits superconductores. También están preparando electrónica de radiofrecuencia, que los qubits superconductores utilizan para controlar y leer sus estados cuánticos. Muchos de los componentes individuales del espacio de investigación, como el refrigerador y los dispositivos electrónicos, son artículos comerciales comprados tanto para SILENCIO como para RUIDOSO para proporcionar comparaciones directas uno a uno.

“Se necesitó mucho trabajo detrás de escena para que QUIET debutara”, dijo el director de QSC, Travis Humble. “Estos esfuerzos incluyeron la instalación de agua helada y energía eléctrica dedicada para una sala limpia recién construida, así como otras mejoras de infraestructura”.

El programa QUIET and LOUD está financiado a través de QSC, uno de los cinco Centros Nacionales de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del DOE establecidos para apoyar la Iniciativa Cuántica Nacional.

“Este es un campo realmente apasionante y en rápido movimiento, en el que constantemente surgen nuevas investigaciones que cambian el debate, y es apasionante para Fermilab ser uno de los actores clave en un tema tan relevante y de tanto en juego”, dijo Baxter.

El Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite science.energy.gov.