Científicos del Instituto de Física y Tecnología de la Academia de Ciencias de Rusia y MIPT han dejado sueltos dos electrones en un sistema de puntos cuánticos para crear una celda de memoria de computadora cuántica de una dimensión superior a un qubit (un bit cuántico). En su estudio publicado en Informes científicos , Los investigadores demuestran por primera vez cómo los paseos cuánticos de varios electrones pueden ayudar a implementar la computación cuántica.

"Al estudiar el sistema con dos electrones, resolvimos los problemas enfrentados en el caso general de dos partículas idénticas que interactúan. Esto allana el camino hacia estructuras cuánticas compactas de alto nivel, "dice Leonid Fedichkin, profesor asociado del Departamento de Física Teórica del MIPT.

En cuestión de horas, una computadora cuántica podría piratear el criptosistema más popular utilizado por los navegadores web. En lo que respecta a las aplicaciones más benévolas, una computadora cuántica sería capaz de realizar modelos moleculares que expliquen todas las interacciones entre las partículas involucradas. Esto, a su vez, permitiría el desarrollo de células solares de alta eficiencia y nuevos fármacos. Para tener aplicaciones prácticas, una computadora cuántica necesita incorporar cientos o incluso miles de qubits. Y ahí es donde se pone complicado.

Como resulta, la naturaleza inestable de la conexión entre qubits sigue siendo el principal obstáculo que impide el uso de recorridos cuánticos de partículas para el cálculo cuántico. A diferencia de sus análogos clásicos, Las estructuras cuánticas son extremadamente sensibles al ruido externo. Para evitar que un sistema de varios qubits pierda la información almacenada en él, Es necesario utilizar nitrógeno líquido (o helio) para enfriar. Se han propuesto muchos esquemas para la realización experimental de un qubit separado. En un estudio anterior, un equipo de investigación dirigido por el profesor Fedichkin demostró que un qubit podría implementarse físicamente como una partícula "dando un paseo cuántico" entre dos semiconductores extremadamente pequeños conocidos como puntos cuánticos. que están conectados por un "túnel cuántico". Desde la perspectiva de un electrón, los puntos cuánticos representan pozos potenciales. Por lo tanto, la posición del electrón puede usarse para codificar los dos estados básicos del qubit— | 0? y | 1?, dependiendo de si la partícula está en un pocillo o en el otro. En lugar de sentarse en uno de los dos pozos, el electrón está manchado entre los dos estados diferentes, tomando una posición definida sólo cuando se miden sus coordenadas. En otras palabras, está en una superposición de dos estados.

Si se crea un estado entrelazado entre varios qubits, sus estados individuales ya no pueden describirse separadamente unos de otros, y cualquier descripción válida debe referirse al estado de todo el sistema. Esto significa que un sistema de tres qubits tiene un total de ocho estados base y está en una superposición de ellos:A | 000⟩ + B | 001⟩ + C | 010⟩ + D | 100⟩ + E | 011⟩ + F | 101⟩ + G | 110⟩ + H | 111⟩. Al influir en el sistema, uno inevitablemente afecta a los ocho coeficientes, mientras que influir en un sistema de bits regulares solo afecta a sus estados individuales. Por implicación, n bits pueden almacenar n variables, mientras que n qubits pueden almacenar 2 ^norte variables. Los Qudits ofrecen una ventaja aún mayor, ya que n qudits de cuatro niveles (también conocidos como ququarts) pueden codificar 4 ^norte , o 2 ^norte × 2 ^norte variables. Para poner esto en perspectiva, 10 cuartos de galón almacenan aproximadamente 100, 000 veces más información que 10 bits. Con mayores valores de n, los ceros en este número comienzan a acumularse muy rápidamente.

En este estudio, Alexey Melnikov y Leonid Fedichkin obtienen un sistema de dos qudits implementado como dos electrones entrelazados que caminan cuánticamente alrededor del llamado gráfico de ciclo. Para hacer uno, los científicos tuvieron que "conectar los puntos, "formando un círculo (una vez más, estos son puntos cuánticos, y están conectados por túnel cuántico). El entrelazamiento de los dos electrones es causado por la repulsión electrostática mutua experimentada por cargas similares. Es posible crear un sistema de más qudits en el mismo volumen de material semiconductor. Para hacer esto, es necesario conectar puntos cuánticos en un patrón de caminos sinuosos y tener más electrones errantes. El enfoque de los paseos cuánticos para la computación cuántica es conveniente porque se basa en un proceso natural. Sin embargo, la presencia de dos electrones idénticos en la misma estructura era una fuente de dificultades adicionales que habían quedado sin resolver.

El fenómeno del entrelazamiento de partículas juega un papel fundamental en el procesamiento de información cuántica. Sin embargo, en experimentos con partículas idénticas, puede surgir un falso entrelazamiento entre electrones que no interactúan, que debe distinguirse del enredo genuino. Para hacer esto, los científicos realizaron cálculos matemáticos para ambos casos, verbigracia., con y sin enredo. Observaron la distribución cambiante de probabilidades para los casos con seis, ocho, 10, y 12 puntos, es decir., para un sistema de dos qudits con tres, cuatro cinco, y seis niveles cada uno. Los científicos demostraron que su sistema propuesto se caracteriza por un grado relativamente alto de estabilidad.

Hasta aquí, los científicos no han podido conectar una cantidad suficiente de qubits para el desarrollo de una computadora cuántica. El trabajo de los investigadores rusos acerca la ciencia de la computación a un futuro en el que los cálculos cuánticos son algo común. Y aunque hay algoritmos que las computadoras cuánticas nunca podrían acelerar, otros aún se beneficiarían enormemente de dispositivos capaces de explotar el potencial de un gran número de qubits (o qudits). Estos por sí solos serían suficientes para salvarnos un par de miles de años.