Los investigadores han dado un paso importante hacia el objetivo largamente buscado de una computadora cuántica, que en teoría debería ser capaz de realizar cálculos mucho más rápidos que los ordenadores convencionales, para ciertos tipos de problemas. El nuevo trabajo muestra que las colecciones de moléculas ultrafrías pueden retener la información almacenada en ellas, durante cientos de veces más de lo que los investigadores han logrado anteriormente con estos materiales.

Estas moléculas de dos átomos están hechas de sodio y potasio y se enfriaron a temperaturas de solo unas diez millonésimas de grado por encima del cero absoluto (medido en cientos de nanokelvins, o nK). Los resultados se describen en un informe de esta semana en Ciencias , por Martin Zwierlein, profesor de física del MIT; Parque Jee Woo, un ex estudiante de posgrado del MIT; Sebastián Will, ex científico investigador del MIT y ahora profesor asistente en la Universidad de Columbia, y otros dos, todo en el MIT-Harvard Center for Ultrafold Atoms.

Se están estudiando muchos enfoques diferentes como posibles formas de crear qubits, los bloques de construcción básicos de las computadoras cuánticas teorizadas desde hace mucho tiempo pero aún no completamente realizadas. Los investigadores han intentado utilizar materiales superconductores, iones retenidos en trampas de iones, o átomos neutros individuales, así como moléculas de diversa complejidad. El nuevo enfoque utiliza un grupo de moléculas muy simples hechas de solo dos átomos.

"Las moléculas tienen más 'asas' que átomos, "Zwierlein dice, lo que significa más formas de interactuar entre sí y con influencias externas. "Pueden vibrar, pueden rotar, y de hecho pueden interactuar fuertemente entre sí, que los átomos tienen dificultades para hacer. Típicamente, los átomos tienen que encontrarse realmente entre sí, estar casi uno encima del otro, antes de que vean que hay otro átomo con el que interactuar, mientras que las moléculas pueden verse entre sí "en rangos relativamente largos". Para hacer que estos qubits se comuniquen entre sí y realicen cálculos, usar moléculas es una idea mucho mejor que usar átomos, " él dice.

El uso de este tipo de moléculas de dos átomos para el procesamiento de información cuántica "se había sugerido hace algún tiempo, "dice Park, "y este trabajo demuestra el primer paso experimental hacia la realización de esta nueva plataforma, que es que la información cuántica se puede almacenar en moléculas dipolares durante períodos prolongados ".

"Lo más sorprendente es que [estas] moléculas son un sistema que puede permitir realizar tanto el almacenamiento como el procesamiento de información cuántica, utilizando el mismo sistema físico, "Dice Will." Esa es en realidad una característica bastante rara que no es típica en absoluto entre los sistemas qubit que se consideran mayoritariamente en la actualidad ".

En las pruebas de laboratorio iniciales de prueba de principio del equipo, unos pocos miles de moléculas simples estaban contenidas en una bocanada microscópica de gas, atrapado en la intersección de dos rayos láser y enfriado a temperaturas ultra frías de aproximadamente 300 nanokelvins. "Cuantos más átomos hay en una molécula, más difícil resulta enfriarlos, "Zwierlein dice, así que eligieron esta estructura simple de dos átomos.

Las moléculas tienen tres características clave:rotación, vibración, y la dirección de giro de los núcleos de los dos átomos individuales. Para estos experimentos, los investigadores consiguieron las moléculas bajo control perfecto en términos de las tres características, es decir, en el estado más bajo de vibración, rotación, y alineación de espín nuclear.

"Hemos podido atrapar moléculas durante mucho tiempo, y también demostrar que pueden transportar información cuántica y retenerla durante mucho tiempo, "Dice Zwierlein. Y eso, él dice, es "uno de los avances o hitos clave que uno debe tener antes de esperar construir una computadora cuántica, que es un esfuerzo mucho más complicado ".

El uso de moléculas de sodio-potasio proporciona una serie de ventajas, Dice Zwierlein. Por una cosa, "la molécula es químicamente estable, así que si una de estas moléculas se encuentra con otra, no se rompen ".

En el contexto de la computación cuántica, el "tiempo prolongado" al que se refiere Zwierlein es un segundo, que de hecho es "del orden de mil veces más largo que un experimento comparable que se ha realizado" utilizando la rotación para codificar el qubit, él dice. "Sin medidas adicionales, ese experimento dio un milisegundo, pero esto ya era genial ". Con el método de este equipo, La estabilidad inherente del sistema significa que "obtienes un segundo completo gratis".

Eso sugiere, aunque queda por probar, que tal sistema sería capaz de realizar miles de cálculos cuánticos, conocido como puertas, en secuencia dentro de ese segundo de coherencia. Los resultados finales podrían entonces "leerse" ópticamente a través de un microscopio, revelando el estado final de las moléculas.

"Tenemos grandes esperanzas de que podamos hacer una de las llamadas puertas, que es una operación entre dos de estos qubits, como adición, sustracción, o ese tipo de equivalente, en una fracción de milisegundo, "Dice Zwierlein." Si miras la proporción, podrías esperar hacer 10, 000 a 100, 000 operaciones de puerta en el tiempo que tenemos la coherencia en la muestra. Eso ha sido declarado como uno de los requisitos para una computadora cuántica, tener ese tipo de relación entre las operaciones de la puerta y los tiempos de coherencia ".

"El próximo gran objetivo será 'hablar' con moléculas individuales. Entonces realmente estamos hablando de información cuántica, "Will dice." Si podemos atrapar una molécula, podemos atrapar dos. Y luego podemos pensar en implementar una 'operación de puerta cuántica', un cálculo elemental, entre dos qubits moleculares que se encuentran uno al lado del otro, " él dice.

Usando una matriz de quizás 1, 000 moléculas de este tipo, Zwierlein dice:permitiría realizar cálculos tan complejos que ningún ordenador existente podría siquiera empezar a comprobar las posibilidades. Aunque enfatiza que este es todavía un paso temprano y que tales computadoras podrían estar a una década o más de distancia, en principio, un dispositivo de este tipo podría resolver rápidamente problemas actualmente insolubles, como factorizar números muy grandes, un proceso cuya dificultad forma la base de los mejores sistemas de cifrado actuales para transacciones financieras.

Además de la computación cuántica, el nuevo sistema también ofrece el potencial para una nueva forma de realizar mediciones de precisión y química cuántica, Dice Zwierlein.