En un paso que acerca las computadoras cuánticas basadas en silicio a la realidad, Los investigadores de la Universidad de Princeton han construido un dispositivo en el que un solo electrón puede pasar su información cuántica a una partícula de luz. La partícula de luz o fotón, luego puede actuar como un mensajero para llevar la información a otros electrones, creando conexiones que forman los circuitos de una computadora cuántica.

La investigación, publicado en la revista Ciencias y realizado en Princeton y HRL Laboratories en Malibu, California, representa un esfuerzo de más de cinco años para desarrollar una capacidad robusta para que un electrón se comunique con un fotón, dijo Jason Petta, un profesor de física de Princeton.

"Al igual que en las interacciones humanas, Para tener una buena comunicación, es necesario que funcionen varias cosas:es útil hablar el mismo idioma, etc. ", Dijo Petta." Somos capaces de hacer resonar la energía del estado electrónico con la partícula de luz, para que los dos puedan hablar entre sí ".

El descubrimiento ayudará a los investigadores a utilizar la luz para vincular electrones individuales, que actúan como los bits, o unidades de datos más pequeñas, en una computadora cuántica. Las computadoras cuánticas son dispositivos avanzados que, cuando se da cuenta, podrá realizar cálculos avanzados utilizando partículas diminutas como electrones, que siguen reglas cuánticas en lugar de las leyes físicas del mundo cotidiano.

Cada bit en una computadora común puede tener un valor de 0 o 1. Los bits cuánticos, conocidos como qubits, pueden estar en un estado de 0, 1, o ambos un 0 y un 1 simultáneamente. Esta superposición, como se le conoce, permite a las computadoras cuánticas abordar cuestiones complejas que las computadoras de hoy en día no pueden resolver.

Ya se han fabricado computadoras cuánticas simples utilizando iones atrapados y superconductores, pero los desafíos técnicos han ralentizado el desarrollo de dispositivos cuánticos basados ​​en silicio. El silicio es un material muy atractivo porque es económico y ya se usa ampliamente en los teléfonos inteligentes y computadoras de hoy.

Los investigadores atraparon tanto un electrón como un fotón en el dispositivo, luego ajustó la energía del electrón de tal manera que la información cuántica pudiera transferirse al fotón. Este acoplamiento permite que el fotón lleve la información de un qubit a otro ubicado hasta un centímetro de distancia.

La información cuántica es extremadamente frágil; puede perderse por completo debido a la más mínima alteración del medio ambiente. Los fotones son más robustos contra la interrupción y potencialmente pueden transportar información cuántica no solo de qubit a qubit en un circuito de computadora cuántica, sino también entre chips cuánticos a través de cables.

Para que estos dos tipos de partículas tan diferentes se comuniquen entre sí, sin embargo, los investigadores tuvieron que construir un dispositivo que proporcionara el entorno adecuado. Primero, Peter Deelman en HRL Laboratories, un laboratorio corporativo de investigación y desarrollo propiedad de Boeing Company y General Motors, fabricó el chip semiconductor a partir de capas de silicio y silicio-germanio. Esta estructura atrapó una sola capa de electrones debajo de la superficie del chip. Próximo, investigadores de Princeton colocaron pequeños cables, cada uno solo una fracción del ancho de un cabello humano, en la parte superior del dispositivo. Estos cables del tamaño de un nanómetro permitieron a los investigadores entregar voltajes que crearon un paisaje energético capaz de atrapar un solo electrón. confinándolo en una región del silicio llamada doble punto cuántico.

Los investigadores utilizaron esos mismos cables para ajustar el nivel de energía del electrón atrapado para que coincida con el del fotón. que está atrapado en una cavidad superconductora que se fabrica en la parte superior de la oblea de silicio.

Antes de este descubrimiento, Los qubits de semiconductores solo se pueden acoplar a los qubits vecinos. Al usar la luz para acoplar qubits, puede ser factible pasar información entre qubits en extremos opuestos de un chip.

La información cuántica del electrón consiste en nada más que la ubicación del electrón en una de las dos bolsas de energía en el doble punto cuántico. El electrón puede ocupar uno u otro bolsillo, o ambos simultáneamente. Controlando los voltajes aplicados al dispositivo, los investigadores pueden controlar qué bolsillo ocupa el electrón.

"Ahora tenemos la capacidad de transmitir el estado cuántico a un fotón confinado en la cavidad, "dijo Xiao Mi, estudiante de posgrado en el Departamento de Física de Princeton y primer autor del artículo. "Esto nunca se había hecho antes en un dispositivo semiconductor porque el estado cuántico se perdió antes de que pudiera transferir su información".

El éxito del dispositivo se debe a un nuevo diseño de circuito que acerca los cables al qubit y reduce la interferencia de otras fuentes de radiación electromagnética. Para reducir este ruido, los investigadores colocan filtros que eliminan las señales extrañas de los cables que conducen al dispositivo. Los alambres de metal también protegen el qubit. Como resultado, los qubits son de 100 a 1000 veces menos ruidosos que los utilizados en experimentos anteriores.

Finalmente, los investigadores planean extender el dispositivo para que funcione con una propiedad intrínseca del electrón conocida como su espín. "A largo plazo, queremos sistemas en los que el giro y la carga estén acoplados para crear un qubit de giro que pueda controlarse eléctricamente, ", Dijo Petta." Hemos demostrado que podemos acoplar coherentemente un electrón a la luz, y ese es un paso importante para acoplar el giro a la luz ".

David DiVincenzo, físico del Instituto de Información Cuántica de la Universidad RWTH Aachen en Alemania, que no participó en la investigación, es el autor de un influyente artículo de 1996 que describe cinco requisitos mínimos necesarios para crear una computadora cuántica. Del trabajo de Princeton-HRL, en el que no estuvo involucrado, DiVincenzo dijo:"Ha sido una larga lucha encontrar la combinación correcta de condiciones que lograría la condición de acoplamiento fuerte para un qubit de un solo electrón. Estoy feliz de ver que se ha encontrado una región de espacio de parámetros donde el sistema puede ir por primera vez en territorio de acoplamiento fuerte ".