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    Qubits puestos en reversa

    Filip Malinowski apuntando a un chip similar al que los científicos del NBI usaron en sus experimentos para invertir los qubits. Crédito:Ola Jakup Joensen

    Un grupo de científicos del Instituto Niels Bohr (NBI), Universidad de Copenhague, ha descubierto cómo hacer que los qubits de giro realicen rotaciones controladas hacia atrás. Esto nunca se ha demostrado antes, y la revista Cartas de revisión física , donde se acaba de publicar la investigación, destaca el descubrimiento innovador en la categoría "Sugerencia del editor".

    "Supongo que se puede decir que hemos descubierto cómo ejecutar los qubits tanto en marcha adelante como en reversa, bajo ciertas circunstancias, "dice el Ph.D. Filip Malinowski, Centro de dispositivos cuánticos (QDev) del Instituto Niels Bohr.

    Malinowski y su colega de QDev, Frederico Martins, que ahora trabaja en la Universidad de Nueva Gales del Sur, Australia:encabezó el 'proyecto inverso' que también incluyó a científicos de la Universidad de Purdue, ESTADOS UNIDOS. El papel de los científicos estadounidenses implicó la producción de cristales semiconductores extremadamente puros, que el equipo de NBI necesitaba como base para construir al armar el 'entorno' específico necesario para forzar a los qubits a retroceder.

    El descubrimiento de NBI debe verse en el contexto de las computadoras cuánticas, las nuevas y poderosas supercomputadoras de próxima generación que los científicos de todo el mundo - QDev no es una excepción - aspiran a desarrollar a través de varios proyectos.

    Para construir una computadora cuántica se necesitan qubits, y los qubits se diferencian de los bits binarios, que son la columna vertebral de las computadoras contemporáneas. Los bits binarios pueden asumir los valores 0 o 1 y, por lo tanto, en principio, funcionan como interruptores:están 'encendidos, "o están 'apagados".

    Como pedacitos clásicos, qubits puede asumir los valores 0 y 1. Sin embargo:qubits también puede estar en un estado que representa 0 y 1 simultáneamente, una supuesta superposición.

    "Codificamos qubits en la dirección en la que apunta el espín del electrón, y procesamos la información cuántica mediante la rotación de espines alrededor de diferentes ejes. Teóricamente, Las rotaciones hacia adelante y hacia atrás producen diferentes estados de superposición, pero experimentalmente solo las rotaciones hacia adelante eran posibles ahora, "dice Frederico Martins.

    Rapidez y precisión

    El hecho de que los qubits puedan estar en un estado de superposición es lo que permitirá a una computadora cuántica, una vez que se haya desarrollado, realizar simultáneamente una gran cantidad de cálculos diferentes.

    Para llevar a cabo una investigación de qubits, debe trabajar a temperaturas muy bajas, en las proximidades del cero absoluto (-273,15 C), debido a que estas condiciones protegen a los qubits de diversas perturbaciones que pueden afectar su nivel de rendimiento. p.ej. ruido.

    "Nuestros experimentos se llevaron a cabo a solo 0,02 C por encima del cero absoluto. Pudimos crear esta temperatura muy baja gracias a un equipo especial en el laboratorio QDev, una versión de un criostato, un llamado refrigerador de dilución, "explica Filip Malinowski:

    El cuadrado negro, que mide aproximadamente 3x3 milímetros, es un chip semiconductor similar al que utilizó el científico del NBI en sus experimentos. El chip se encuentra en una placa de circuito impreso. Crédito:Filip Malinowski

    "Y cuando finalmente se desarrolle una computadora cuántica, lo más probable es que también incluya alguna versión de un criostato ".

    La analogía del coche

    ¿Cuáles son las posibles implicaciones prácticas del hecho de que ahora se puede forzar a los qubits a retroceder, como lo demostraron los científicos del NBI?

    Por un lado, hace posible realizar cálculos más rápidos de una determinada cantidad de datos que los que se pueden hacer confiando en qubits equipados con una sola marcha hacia adelante.

    Pero también es posible elegir la precisión sobre la velocidad dejando que los 'qubits inversos' funcionen a un ritmo moderado en una computadora cuántica del futuro. En ese caso, la ventaja serán los cálculos de mayor precisión, dice Filip Malinowski:"Y como consecuencia, podrá evitar muchos errores que tendrían que corregirse mediante cálculos adicionales".

    Para comprender cuánto más fácil de repente se vuelve controlar los qubits una vez que se les ha suministrado una marcha atrás, una analogía que involucra un automóvil es útil, dice el profesor asociado Ferdinand Kuemmeth, jefe del equipo de QDev detrás del descubrimiento:

    "Imagine que conduce un automóvil por una calle concurrida, la calle donde vive, y desea estacionarlo exactamente frente a su puerta. Esta puede ser una tarea abrumadora, especialmente si hay muchos coches - (ruido, cuando hablamos de qubits) - a tu alrededor. Y ahora imagina hacer esto sin una marcha atrás:si te pasas un poco, perdiste tu oportunidad, y es difícil encontrar una solución. Lo mismo ocurre con los qubits rotativos:si uno se sobrepasa un poco, lo que ocurre con frecuencia debido al ambiente ruidoso, no había forma de rotar el qubit hacia atrás, ¡hasta ahora! "

    Un proceso de construcción

    La función inversa en qubits se ha demostrado en un experimento que involucra un 'entorno' cuántico que los científicos del NBI construyeron sobre un cristal hecho a medida, una estructura similar a un sándwich entregada por la Universidad de Purdue. hecho de un material con una distribución de electrones extraordinariamente uniforme.

    En la base del "medio ambiente" se encuentra la estructura cristalina, que los científicos del NBI cubrieron con un polímero.

    El siguiente paso fue 'dibujar' un patrón de ranuras en la capa de polímero, usando un haz de electrones.

    Con la marcha adelante solo se puede corregir cualquier error, pero a un costo significativo, como conducir un automóvil alrededor de la cuadra para volver a intentarlo. Por otro lado, con una marcha atrás, uno puede simplemente hacer ajustes finos conduciendo un poco hacia adelante y hacia atrás. En el trabajo de los científicos del NBI, la marcha hacia adelante indica que dos espines de electrones paralelos tienen mayor energía que los espines de electrones que apuntan en direcciones opuestas. Mientras tanto, en la marcha atrás, la configuración de giro en paralelo tiene menor energía. Por lo general, los dos giros confinados en el espacio pequeño tienen poca energía si apuntan en la dirección opuesta. Eso se debe a que pueden ocupar el orbital más bajo, como dos electrones en un átomo de helio. Mientras tanto, el principio de exclusión de Pauli prohíbe que dos electrones ocupen el mismo orbital si su espín es el mismo. Esto obliga al segundo electrón a ocupar otro orbital, aumentando su energía. Sin embargo, la situación cambia cuando los dos espines flotan en un grupo de muchos otros electrones "neutralizados". Entonces, el principio de exclusión de Pauli prohíbe que los electrones con espines apuntando en la misma dirección floten cerca unos de otros. Por lo tanto, dos electrones cargados negativamente con espines paralelos se repelen más débilmente, que si sus giros fueran opuestos. Considerándolo todo, una repulsión más débil disminuye la energía de la configuración de espín paralelo. En general estos dos efectos conviven y compiten. El científico del NBI demostró que es posible alternar entre configuraciones en las que predomina el efecto primero o el último. Crédito:Instituto Niels Bohr

    Luego, el polímero, ahora debilitado, se eliminó del patrón indicado, dejando las ranuras abiertas, como zanjas.

    Finalmente, las ranuras en la parte superior del cristal se rellenaron con un metal para formar electrodos, de los cuales el más pequeño mide apenas 20 nanómetros, y aplicando diferentes voltajes a estos electrodos es posible repeler o atraer electrones, finalmente colocando electrones individuales en posiciones específicas.

    Los científicos del NBI usaron un chip de este tipo para controlar con precisión la llamada interacción de intercambio, una interacción fundamental entre electrones que se puede usar para forzar la inversión de los qubits, y cómo se hace esto se explica con más detalle en el gráfico de noticias.

    Centro de dispositivos cuánticos, QDev:el laboratorio donde se llevó a cabo la investigación. Foto:Ola Jakup Joensen

    La explicación condensada se centra en el hecho de que cuando dos electrones giran, uno apunta hacia arriba, el otro hacia abajo - se colocan en el mismo espacio confinado, empiezan a girar juntos, dice Filip Malinowski:

    "En este caso, estos electrones son qubits, y si volvemos a la analogía del automóvil, comenzarán a girar o avanzar. Hasta ahora, la suposición ha sido que esta era de hecho la única dirección en la que posiblemente podrían moverse, que es donde entra nuestro descubrimiento ".

    La función inversa se convierte en realidad cuando dos espines de electrones que apuntan de manera opuesta (qubits) se colocan en un entorno confinado junto con muchos otros pares de electrones.

    Ahora, todavía a temperaturas muy bajas, de repente es posible forzar a los qubits a retroceder.

    El arseniuro de galio, el material del que está hecho el cristal producido en EE. UU., Juega un papel destacado en el experimento de NBI. pero la técnica probablemente funcionará igualmente bien con otros semiconductores, dice Filip Malinowski:

    "Especialmente silicio, que es esencial para los chips que se encuentran en los procesadores de nuestra generación actual, pero el silicio también podría usarse como material de construcción para computadoras cuánticas ".

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