Los investigadores demostraron la capacidad de controlar con precisión el comportamiento de dos bits cuánticos basados en silicio, o qubits, allanando el camino para hacer complejos, dispositivos de varios qubit que utilizan tecnología que es menos costosa y más fácil de fabricar que otros enfoques. Crédito:David Zajac, Universidad de Princeton
En un gran paso hacia la fabricación de una computadora cuántica utilizando materiales cotidianos, un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton ha construido una pieza clave de hardware de silicio capaz de controlar el comportamiento cuántico entre dos electrones con una precisión extremadamente alta. El estudio aparece en la edición del 7 de diciembre de la revista Ciencias .
El equipo construyó una puerta que controla las interacciones entre los electrones de una manera que les permite actuar como bits cuánticos de información. o qubits, necesario para la computación cuántica. La demostración de este casi libre de errores, La puerta de dos qubit es un paso temprano importante en la construcción de un dispositivo de computación cuántica más complejo a partir de silicio, el mismo material utilizado en computadoras y teléfonos inteligentes convencionales.
"Sabíamos que teníamos que hacer que este experimento funcionara si la tecnología basada en silicio iba a tener futuro en términos de ampliación y construcción de una computadora cuántica". "dijo Jason Petta, profesor de física en la Universidad de Princeton. "La creación de esta puerta de dos qubits de alta fidelidad abre la puerta a experimentos a mayor escala".
Es probable que los dispositivos basados en silicio sean menos costosos y más fáciles de fabricar que otras tecnologías para lograr una computadora cuántica. Aunque otros grupos de investigación y empresas han anunciado dispositivos cuánticos que contienen 50 o más qubits, esos sistemas requieren materiales exóticos como superconductores o átomos cargados mantenidos en su lugar por láseres.
Las computadoras cuánticas pueden resolver problemas que son inaccesibles con las computadoras convencionales. Los dispositivos pueden factorizar números extremadamente grandes o encontrar las soluciones óptimas para problemas complejos. También podrían ayudar a los investigadores a comprender las propiedades físicas de partículas extremadamente pequeñas, como átomos y moléculas, conduciendo a avances en áreas como la ciencia de los materiales y el descubrimiento de fármacos.
La construcción de una computadora cuántica requiere que los investigadores creen qubits y los acoplen entre sí con alta fidelidad. Los dispositivos cuánticos basados en silicio utilizan una propiedad cuántica de los electrones llamada "espín" para codificar la información. El giro puede apuntar hacia arriba o hacia abajo de manera análoga a los polos norte y sur de un imán. A diferencia de, las computadoras convencionales funcionan manipulando la carga negativa del electrón.
Alcanzando un alto rendimiento, El dispositivo cuántico basado en espín se ha visto obstaculizado por la fragilidad de los estados de espín:cambian fácilmente de arriba a abajo o viceversa, a menos que puedan aislarse en un entorno muy puro. Al construir los dispositivos cuánticos de silicio en el Laboratorio de Nanofabricación de Dispositivos Cuánticos de Princeton, los investigadores pudieron mantener la coherencia de los giros, es decir, en sus estados cuánticos, durante períodos de tiempo relativamente largos.
La puerta de dos qubits basada en silicio consta de dos electrones (bolas azules con flechas) en una capa de silicio (Si). Aplicando voltajes a través de cables de óxido de aluminio (Al2O3) (rojo y verde), los investigadores atraparon los electrones y persuadieron comportamientos cuánticos que transforman sus propiedades de espín en bits cuánticos de información, o qubits. La imagen de la izquierda muestra una micrografía electrónica de barrido del dispositivo, que tiene unos 200 nanómetros (nm) de ancho. La imagen de la derecha es un diagrama lateral del dispositivo. Crédito: Ciencias / AAAS
Para construir la puerta de dos qubit, los investigadores colocaron en capas diminutos alambres de aluminio sobre un cristal de silicio altamente ordenado. Los cables entregan voltajes que atrapan dos electrones individuales, separados por una barrera de energía, en una estructura parecida a un pozo llamada doble punto cuántico.
Al reducir temporalmente la barrera energética, los investigadores permiten que los electrones compartan información cuántica, creando un estado cuántico especial llamado entrelazamiento. Estos electrones atrapados y enredados ahora están listos para usarse como qubits, que son como bits de computadora convencionales pero con superpoderes:mientras que un bit convencional puede representar un cero o un 1, cada qubit puede ser simultáneamente un cero y un 1, ampliando enormemente el número de posibles permutaciones que se pueden comparar instantáneamente.
“El desafío es que es muy difícil construir estructuras artificiales lo suficientemente pequeñas como para atrapar y controlar electrones individuales sin destruir sus largos tiempos de almacenamiento, "dijo David Zajac, estudiante de posgrado en física en Princeton y primer autor del estudio. "Esta es la primera demostración de entrelazamiento entre dos espines de electrones en silicio, un material conocido por proporcionar uno de los entornos más limpios para los estados de espín de los electrones ".
Los investigadores demostraron que pueden usar el primer qubit para controlar el segundo qubit, lo que significa que la estructura funcionaba como una puerta NOT (CNOT) controlada, que es la versión cuántica de un componente de circuito de computadora de uso común. Los investigadores controlan el comportamiento del primer qubit aplicando un campo magnético. La puerta produce un resultado basado en el estado del primer qubit:si el primer giro apunta hacia arriba, entonces el giro del segundo qubit cambiará, pero si el primer giro es hacia abajo, el segundo no se volteará.
"La puerta básicamente dice que solo le hará algo a una partícula si la otra partícula está en una determinada configuración, "Dijo Petta." Lo que le sucede a una partícula depende de la otra partícula ".
Los investigadores demostraron que pueden mantener los giros de los electrones en sus estados cuánticos con una fidelidad superior al 99 por ciento y que la puerta funciona de manera confiable para cambiar el giro del segundo qubit aproximadamente el 75 por ciento del tiempo. La tecnología tiene el potencial de escalar a más qubits con tasas de error aún más bajas, según los investigadores.
"Este trabajo se destaca en una carrera mundial para demostrar la puerta CNOT, un bloque de construcción fundamental para la computación cuántica, en qubits basados en silicio, "dijo HongWen Jiang, profesor de física y astronomía en la Universidad de California-Los Ángeles. "La tasa de error para la operación de dos qubit está claramente comparada. Es particularmente impresionante que este experimento extraordinariamente difícil, que requiere una fabricación de dispositivos sofisticados y un control exquisito de los estados cuánticos, se realiza en un laboratorio universitario que consta de unos pocos investigadores ".
