Los científicos del Instituto de Física de la Universidad de Tartu han encontrado una forma de desarrollar computadoras cuánticas ópticas de un nuevo tipo. Un elemento central del descubrimiento son los iones de tierras raras que tienen ciertas características y pueden actuar como bits cuánticos. Estos darían a las computadoras cuánticas una velocidad de cálculo ultrarrápida y una mejor confiabilidad en comparación con las soluciones anteriores. Los investigadores de la Universidad de Tartu Vladimir Hizhnyakov, Vadim Boltrushko, Helle Kaasik y Yurii Orlovskii publicaron los resultados de su investigación en la revista científica Comunicaciones ópticas .

Mientras que en computadoras ordinarias, las unidades de información son dígitos binarios o bits, en las computadoras cuánticas, las unidades son bits cuánticos o qubits. En una computadora ordinaria, la información es transportada principalmente por electricidad en celdas de almacenamiento de memoria que consisten en transistores de efecto de campo, pero en una computadora cuántica, dependiendo del tipo de computadora, los portadores de información son partículas mucho más pequeñas, por ejemplo iones, fotones y electrones. La información de qubit puede ser transportada por una determinada característica de esta partícula (por ejemplo, espín del electrón o polarización del fotón), que puede tener dos estados. Mientras que los valores de un bit ordinario son 0 o 1, también son posibles variantes intermedias de estos valores en el bit cuántico. El estado intermedio se llama superposición. Esta propiedad le da a las computadoras cuánticas la capacidad de resolver tareas, que las computadoras ordinarias no pueden realizar en un tiempo razonable.

Qubits de cristales de iones mixtos

Investigadores del Instituto de Física de la Universidad de Tartu demostraron que los microcristales, sintetizados sobre la base de matrices de cristales de fluoruro óptico mixtas dopadas con erbio, praseodimio y algunos otros iones de elementos de tierras raras, pueden funcionar como qubits que permiten la computación cuántica óptica ultrarrápida.

Profesor Vladimir Hizhnyakov, miembro de la Academia de Ciencias de Estonia, dice que al seleccionar los iones, sus estados electrónicos de propiedades muy diferentes son de suma importancia. "Deben tener al menos dos estados en los que la interacción iónica sea muy débil. Estos estados son adecuados para operaciones básicas de lógica cuántica en bits cuánticos individuales. Además, se necesita un estado o estados en los que la interacción iónica sea fuerte; estos estados permiten operaciones de lógica cuántica con dos o más qubits. Todos estos estados deben tener una vida útil larga (milisegundos o microsegundos) y se deben permitir transiciones ópticas entre estos estados, "Explicó Hizhnyakov.

Dice que hasta ahora no se consideró posible encontrar tales estados electrónicos de iones de tierras raras, y es por eso que los científicos no han buscado tales estados adecuados para qubits entre ellos. "Hasta aquí, la mayoría de los estados de espín de los núcleos atómicos se han estudiado para determinar el papel de los qubits. Sin embargo, su frecuencia es un millón de veces menor que la frecuencia de nuestros bits cuánticos. Esta es la razón por la que también las computadoras cuánticas creadas sobre la base de estos qubits serían significativamente más lentas que las computadoras con nuestros bits cuánticos basados ​​en estados electrónicos. " él explicó.

Mayor velocidad y menos errores

Un ciclo de trabajo ultrarrápido permitiría, según Hizhnyakov, para superar uno de los mayores obstáculos en la creación de computadoras cuánticas. Los qubits son muy sensibles a su entorno, razón por la cual cualquier interferencia ambiental puede provocar errores en la computación cuántica. "El tiempo de coherencia de los qubits, es decir, la duración del estado cuántico puro, es muy corto. Cuanto más rápido sea el ciclo de cálculo, la menor interferencia es causada por el entorno circundante en el trabajo de los qubits, "Explicó Hizhnyakov.

Se ha comprobado que el método de quema de agujeros espectral, desarrollado previamente en el Instituto de Física de la Universidad de Tartu se puede utilizar para seleccionar un conjunto de qubits en un microcristal que actúa como una instancia de computadora. Según Hizhnyakov, este en la actualidad uno de los métodos más poderosos de espectroscopia óptica, lo que permite encontrar aquellos iones en un microcristal que sean los más adecuados para su uso como qubits informáticos.

Aunque todavía hay un largo camino lleno de obstáculos para una computadora cuántica que realmente funcione, Los investigadores del laboratorio de espectroscopia láser de la Universidad de Tartu han comenzado a construir un prototipo piloto de computadora cuántica basado en el nuevo método. Según los investigadores, están a punto de presentar el trabajo de los elementos básicos del nuevo tipo de computadora cuántica.

El estudio de investigación completado es parte del proyecto conjunto "Espectroscopia de estados entrelazados de grupos de iones de impurezas de tierras raras para computación cuántica, "realizado por el Laboratorio de Espectroscopia Láser y el Laboratorio de Teoría del Estado Sólido del Instituto de Física de la Universidad de Tartu.