Durante su investigación para un nuevo artículo sobre computación cuántica, HongWen Jiang, un profesor de física de UCLA, y Joshua Schoenfield, un estudiante de posgrado en su laboratorio, se encontró con un problema recurrente:estaban tan entusiasmados con el progreso que estaban haciendo que cuando iniciaron sesión desde casa en su escritorio de UCLA, que solo permite un usuario a la vez, los dos científicos se desconectaron repetidamente de la conexión remota.

La razón de su entusiasmo:Jiang y su equipo crearon una forma de medir y controlar las diferencias de energía de los estados de los valles de electrones en los puntos cuánticos de silicio. que son un componente clave de la investigación de la computación cuántica. La técnica podría acercar la computación cuántica a la realidad.

"Es tan excitante, "dijo Jiang, miembro del California NanoSystems Institute. "No queríamos esperar hasta el día siguiente para conocer el resultado".

La computación cuántica podría permitir la codificación de información más compleja en chips de computadora mucho más pequeños, y promete más rápido, resolución de problemas y comunicaciones más seguras de lo que permiten las computadoras actuales.

En computadoras estándar, los componentes fundamentales son interruptores llamados bits, que usan 0 y 1 para indicar que están apagados o encendidos. Los componentes básicos de las computadoras cuánticas, por otra parte, son bits cuánticos, o qubits.

El avance de los investigadores de UCLA fue poder medir y controlar un estado específico de un punto cuántico de silicio, conocido como un estado del valle, una propiedad esencial de los qubits. La investigación fue publicada en Comunicaciones de la naturaleza .

"Un qubit individual puede existir en una mezcla compleja en forma de onda del estado 0 y el estado 1 al mismo tiempo, "dijo Schoenfield, el primer autor del artículo. "Resolver problemas, los qubits deben interferir entre sí como ondas en un estanque. Por lo tanto, es esencial controlar todos los aspectos de su naturaleza ondulada ".

Los puntos cuánticos de silicio son pequeños, regiones de silicio eléctricamente confinadas, solo decenas de nanómetros de ancho, que puede atrapar electrones. Están siendo estudiados por el laboratorio de Jiang, y por investigadores de todo el mundo, para su posible uso en la computación cuántica porque permiten a los científicos manipular el giro y la carga de los electrones.

Además del giro y la carga de los electrones, otra de sus propiedades más importantes es su "estado de valle, "que especifica dónde se asentará un electrón en el paisaje de energía no plana de la estructura cristalina del silicio. El estado de valle representa una ubicación en el impulso del electrón, a diferencia de una ubicación física real.

Los científicos se han dado cuenta solo recientemente de que controlar los estados de los valles es fundamental para codificar y analizar qubits basados ​​en silicio. porque incluso las imperfecciones más pequeñas en un cristal de silicio pueden alterar las energías del valle de formas impredecibles.

"Imagínese de pie en la cima de una montaña y mirando hacia abajo a su izquierda y a su derecha, notando que los valles a ambos lados parecen ser los mismos, pero sabiendo que un valle era solo 1 centímetro más profundo que el otro, "dijo Blake Freeman, estudiante de posgrado de UCLA y coautor del estudio. "En física cuántica, incluso esa pequeña diferencia es extremadamente importante para nuestra capacidad de controlar los estados de carga y giro de los electrones ".

A temperaturas normales, los electrones rebotan, lo que les dificulta descansar en el punto de menor energía del valle. Entonces, para medir la pequeña diferencia de energía entre dos estados del valle, los investigadores de UCLA colocaron puntos cuánticos de silicio dentro de una cámara de enfriamiento a una temperatura cercana al cero absoluto, lo que permitió que los electrones se asentaran. Al disparar pulsos eléctricos rápidos de voltaje a través de ellos, los científicos pudieron mover electrones individuales dentro y fuera de los valles. La pequeña diferencia de energía entre los valles se determinó observando la velocidad del rápido cambio del electrón entre los estados de los valles.

Después de manipular los electrones, los investigadores ejecutaron un sensor de nanocables muy cerca de los electrones. Medir la resistencia del cable les permitió medir la distancia entre un electrón y el cable, lo que a su vez les permitió determinar qué valle ocupaba el electrón.

La técnica también permitió a los científicos, por primera vez, para medir la diferencia de energía extremadamente pequeña entre los dos valles, que había sido imposible con cualquier otro método existente.

En el futuro, Los investigadores esperan utilizar pulsos de voltaje y diseños de dispositivos más sofisticados para lograr un control total sobre múltiples qubits interactivos basados ​​en valles.

"El sueño es tener una serie de cientos o miles de qubits trabajando juntos para resolver un problema difícil, Schoenfield dijo. "Este trabajo es un paso importante hacia la realización de ese sueño".