Hito en el camino hacia la computadora cuántica:científicos de la Universidad de Konstanz, Universidad de Princeton, y la Universidad de Maryland han desarrollado una puerta cuántica estable para sistemas de dos bits cuánticos hechos de silicio. La puerta cuántica puede realizar todas las operaciones básicas necesarias de la computadora cuántica. El espín electrónico de los electrones individuales en el silicio se utiliza como unidad básica de almacenamiento ("bits cuánticos"). Los resultados de la investigación se publicaron antes de la impresión en Ciencias el 7 de diciembre de 2017.

Pasarán varios años hasta la producción de computadoras cuánticas comerciales. Las computadoras cuánticas serán más eficientes y podrán resolver problemas imposibles para las computadoras actuales. Sin embargo, la computadora cuántica reacciona de manera mucho más sensible a las perturbaciones externas que una máquina convencional. Como consecuencia, un objetivo principal es crear "puertas cuánticas" estables, el "bloque de construcción" básico de la computadora cuántica. Científicos de la Universidad de Konstanz, La Universidad de Princeton y la Universidad de Maryland ahora lograron crear puertas cuánticas estables para sistemas de dos bits cuánticos. Su puerta cuántica utiliza electrones individuales en silicio para almacenar los bits cuánticos, y pueden controlar y leer con precisión la interacción de dos bits cuánticos. De esta manera, el experimento incluye todas las operaciones básicas necesarias de la computadora cuántica.

Del electrón al bit cuántico

Así como una computadora digital clásica usa bits con los valores de cero o uno como unidades básicas para todos los procesos de cálculo, una computadora cuántica, utiliza bits cuánticos. La diferencia es que el bit cuántico no se limita a dos estados (cero y uno), pero puede existir en varios estados a la vez, y por lo tanto es mucho más complejo en su implementación que un simple sistema digital. Los investigadores han presentado varias ideas para realizar técnicamente un bit cuántico, por ejemplo, utilizando iones o sistemas superconductores. Los investigadores de Konstanz, Princeton y Maryland, sin embargo, usa el espín del electrón, el momento angular intrínseco de un solo electrón, como base de los bits cuánticos. La dirección de rotación del electrón corresponde a los valores cero y uno del bit digital, pero en su estado cuántico exacto, el electrón puede contener más información que un simple cero o uno.

Por tanto, un primer logro de los investigadores fue extraer un solo electrón de los miles de millones de átomos de una pieza de silicio. "Ese fue un logro extraordinario de nuestros colegas de Princeton, "dice el profesor físico Guido Burkard, quien coordinó la investigación teórica en Konstanz. Los investigadores utilizaron una combinación de atracción y repulsión electromagnéticas para separar un solo electrón del grupo de electrones. Luego, los electrones separados se alinean con precisión y cada uno está incrustado en una especie de "hueco, "donde se mantienen en un estado flotante.

El siguiente desafío fue desarrollar un sistema para controlar el momento angular de los electrones individuales. Los físicos de Konstanz, Guido Burkard y Maximilian Russ, han desarrollado el siguiente método:se aplica un nanoelectrodo a cada electrón. Usando un gradiente de campo magnético, los físicos pueden crear un campo magnético dependiente de la posición con el que acceder a los electrones individuales, permitiendo así a los investigadores controlar el momento angular de los electrones. De esta manera, han creado sistemas estables de un bit cuántico para almacenar y leer información en forma de espines de electrones.

El paso hacia el sistema de dos bits cuánticos

Un bit cuántico sin embargo, no es suficiente generar el sistema de conmutación básico de una computadora cuántica. Para hacerlo se requieren dos bits cuánticos. El paso crucial que dieron los investigadores de Konstanz hacia el sistema de dos bits cuánticos fue vincular los estados de dos electrones. Dicho vínculo hace posible construir sistemas de conmutación basales con los que se pueden realizar todas las operaciones básicas de la computadora cuántica. Por ejemplo, el sistema se puede programar de tal manera que un electrón gire solo cuando su electrón adyacente tenga un giro en una dirección predeterminada.

Esto significó que los investigadores de Konstanz tuvieron que crear un sistema estable para vincular los espines de dos electrones individuales. "Esa fue la parte más importante y difícil de nuestro trabajo, "dice Guido Burkard, quien diseñó y planeó el método junto con el miembro del equipo Maximilian Russ. Desarrollaron un sistema de conmutación que coordina el momento angular de dos electrones en interdependencia. Se coloca un nanoelectrodo adicional entre los dos "huecos" en los que flotan los electrones de silicio. Este electrodo controla el acoplamiento entre los dos espines de electrones. Con este método, los físicos han realizado una unidad de procesamiento básica estable y funcional de una computadora cuántica. Las fidelidades para bits cuánticos individuales están por encima del 99 por ciento, y alrededor del 80 por ciento para dos bits cuánticos que interactúan, significativamente más estable y más preciso que en intentos anteriores.

Silicio:un "material silencioso"

El material base de la puerta cuántica es el silicio. "Un material magnéticamente muy silencioso con un número reducido de espines nucleares propios, "Guido Burkard dice:resumiendo las ventajas del silicio. Es importante que los núcleos atómicos del material elegido no tengan demasiados espines, es decir, momento angular intrínseco, que podría interferir con los bits cuánticos. Silicio, con alrededor del cinco por ciento, tiene una actividad de giro extremadamente baja de sus núcleos atómicos y, por lo tanto, es un material particularmente adecuado. Otra ventaja:el silicio es el material estándar de la tecnología de semiconductores y, en consecuencia, está bien investigado. Por lo tanto, los científicos pueden beneficiarse de muchos años de experiencia con el material.