Recientemente, el equipo de investigación de Feng Mang del Instituto de Innovación en Tecnología de Medición y Ciencias de la Precisión de la Academia de Ciencias de China, en colaboración con la Universidad de Zhengzhou y otras instituciones, logró por primera vez la aceleración del entrelazamiento cuántico en un sistema no hermítico en una plataforma experimental de iones atrapados, superando con éxito el límite de velocidad cuántica hermítica tradicional. El experimento aumentó la velocidad de preparación del estado entrelazado a 1,52 veces la del esquema original, y los resultados se publicaron en línea el 28 de mayo en Physical Review Letters.

El entrelazamiento cuántico es un recurso central en la computación cuántica, la comunicación cuántica y la detección cuántica. Para que un chip cuántico de alto rendimiento realice cálculos complejos, debe establecer relaciones de entrelazamiento entre qubits de manera rápida y estable; la comunicación cuántica depende del entrelazamiento para la transmisión segura de información; y la detección cuántica necesita el entrelazamiento para mejorar la sensibilidad de las mediciones. Durante mucho tiempo, en los sistemas cuánticos hermíticos tradicionales, la velocidad de generación del entrelazamiento ha estado limitada por la intensidad del acoplamiento entre qubits. Cuanto más fuerte es el acoplamiento, más rápida puede ser la preparación del entrelazamiento, pero la potencia del láser, los modos de movimiento de los iones, la decoherencia y la precisión del control en los sistemas experimentales imponen restricciones prácticas. Por lo tanto, "si es posible acelerar la generación de entrelazamiento sin aumentar la intensidad del acoplamiento coherente" ha sido una cuestión importante en el campo del control cuántico.

El camino propuesto en esta investigación utiliza la disipación controlable y los efectos de punto excepcional en sistemas no hermíticos. Normalmente, la disipación se considera un factor adverso que destruye la coherencia cuántica, ya que provoca fugas de estados cuánticos, decoherencia o reduce la probabilidad de éxito. El equipo de investigación no evitó simplemente la disipación, sino que la reguló experimentalmente como un recurso diseñable, llevando los parámetros del sistema cerca del punto excepcional del sistema no hermítico. Bajo esta condición, la estructura geométrica del espacio de Hilbert cambia, la trayectoria de evolución del estado cuántico se comprime y el proceso de generación de entrelazamiento obtiene un efecto similar a un "atajo".

La plataforma experimental utilizó dos iones de calcio para formar un sistema de trampa Paul lineal, con los qubits codificados en los niveles de estado fundamental y metaestable de los iones. El equipo de investigación utilizó un láser de 729 nm para impulsar la transición coherente de los qubits y un láser de 854 nm para introducir un canal de disipación ajustable, mientras que un campo láser bicolor permitió la interacción efectiva entre los dos iones. Con solo interacción coherente, la intensidad de acoplamiento era J = 2π × 625 Hz, correspondiente a un tiempo de puerta de preparación del estado Bell de 200 microsegundos; bajo condiciones fijas de acoplamiento coherente, el experimento ajustó gradualmente los parámetros no hermíticos, reduciendo el tiempo de preparación del entrelazamiento a 177, 155 y 132 microsegundos, siendo el esquema más rápido aproximadamente 1,52 veces más rápido que el esquema hermítico tradicional.

El valor científico y tecnológico de este logro radica en llevar la física no hermítica desde los mecanismos teóricos de aceleración hasta los experimentos de información cuántica con iones atrapados. El sistema de iones atrapados tiene alta coherencia y controlabilidad, siendo una plataforma importante para la computación cuántica y la medición de precisión; el sistema no hermítico proporciona una nueva dimensión de control para la evolución de estados cuánticos. La combinación de ambos permite a los investigadores explorar métodos más rápidos de puertas cuánticas, preparación de entrelazamiento y control de estados sin simplemente aumentar la intensidad del acoplamiento coherente. Para la futura computación cuántica, cuanto más rápida sea la puerta cuántica, mayor será la oportunidad de que el sistema complete más operaciones antes de que ocurra la decoherencia, lo que podría mejorar la profundidad del circuito cuántico y la fiabilidad computacional.

El experimento también reveló el costo del mecanismo de aceleración. La aceleración no hermítica depende de la disipación controlable; cuanto más rápida es la generación de entrelazamiento, mayor es la probabilidad de que la población se filtre fuera del subespacio computacional, reduciendo correspondientemente la probabilidad de éxito. Esto significa que esta técnica no mejora incondicionalmente la eficiencia de todas las operaciones cuánticas, sino que busca un nuevo equilibrio entre velocidad, fidelidad, probabilidad de éxito y estabilidad del sistema. La investigación futura deberá optimizar aún más los parámetros no hermíticos, los canales de disipación, los métodos de lectura y los mecanismos de compensación de errores, para determinar si este método de aceleración puede extenderse a más qubits, puertas cuánticas más complejas y escenarios de procesadores cuánticos programables.

Desde la perspectiva de la aplicación industrial y científica, la aceleración del entrelazamiento cuántico no se traducirá inmediatamente en computadoras cuánticas comerciales, pero proporciona una nueva dirección experimental para el control cuántico de alta calidad. La computación cuántica, la comunicación cuántica y la detección cuántica dependen de recursos de entrelazamiento estables y controlables; cualquier tecnología que pueda acortar el tiempo de preparación y ampliar las rutas de control podría proporcionar un soporte fundamental para la futura integración de sistemas cuánticos. El logro del equipo de investigación chino al lograr la aceleración del entrelazamiento en un sistema de iones atrapados no hermítico demuestra que la disipación controlable ya no es solo un factor de interferencia que debe suprimirse, sino que también puede convertirse en una herramienta efectiva para diseñar procesos de evolución cuántica más rápidos. A medida que se sigan verificando los mecanismos relacionados, el control cuántico no hermítico podría desempeñar un papel más importante en puertas cuánticas de alta fidelidad, preparación de estados entrelazados complejos y mediciones cuánticas de precisión.