En un paso adelante para la computación cuántica en silicio, el mismo material que se usa en las computadoras actuales, los investigadores lograron acoplar con éxito el espín de un solo electrón, representado por el punto de la izquierda, a la luz, representado como una onda que pasa sobre el electrón, que está atrapado en una cámara de silicio de doble pozo conocida como punto cuántico. El objetivo es utilizar la luz para transportar información cuántica a otras ubicaciones en un chip de computación cuántica futurista. Crédito:Emily Edwards, Universidad de Maryland.
Un dispositivo de computación cuántica basado en silicio podría estar más cerca que nunca debido a un nuevo dispositivo experimental que demuestra el potencial de usar la luz como mensajero para conectar bits cuánticos de información, conocidos como qubits, que no están inmediatamente adyacentes entre sí. La hazaña es un paso hacia la fabricación de dispositivos de computación cuántica a partir de silicio, el mismo material que se utiliza en los teléfonos inteligentes y las computadoras de hoy.
La investigación, publicado en la revista Naturaleza , fue dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton en colaboración con colegas de la Universidad de Konstanz en Alemania y el Joint Quantum Institute, que es una asociación de la Universidad de Maryland y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.
El equipo creó qubits a partir de electrones individuales atrapados en cámaras de silicio conocidas como puntos cuánticos dobles. Aplicando un campo magnético, demostraron que podían transferir información cuántica, codificado en la propiedad del electrón conocida como espín, a una partícula de luz, o fotón, abriendo la posibilidad de transmitir la información cuántica.
"Este es un año de ruptura para los qubits de espín de silicio, "dijo Jason Petta, profesor de física en Princeton. "Este trabajo expande nuestros esfuerzos en una dirección completamente nueva, porque te saca de vivir en un paisaje bidimensional, donde solo puede hacer un acoplamiento de vecino más cercano, y en un mundo de conectividad integral, "Eso crea flexibilidad en la forma en que fabricamos nuestros dispositivos".
Los dispositivos cuánticos ofrecen posibilidades computacionales que no son posibles con las computadoras actuales, como factorizar números grandes y simular reacciones químicas. A diferencia de las computadoras convencionales, los dispositivos operan de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica que gobiernan estructuras muy pequeñas, como átomos individuales y partículas subatómicas. Las principales empresas de tecnología ya están construyendo computadoras cuánticas basadas en qubits superconductores y otros enfoques.
"Este resultado proporciona un camino para escalar a sistemas más complejos siguiendo la receta de la industria de los semiconductores, "dijo Guido Burkard, profesor de física en la Universidad de Konstanz, quien brindó orientación sobre aspectos teóricos en colaboración con Monica Benito, investigador postdoctoral. "Esa es la visión, y este es un paso muy importante ".
Jacob Taylor, miembro del equipo y miembro del Joint Quantum Institute, comparó la luz con un cable que puede conectar qubits de giro. "Si desea hacer un dispositivo de computación cuántica utilizando estos electrones atrapados, ¿Cómo se envía información en el chip? Necesitas el equivalente en computación cuántica de un cable ".
Los qubits de espín de silicio son más resistentes que las tecnologías de qubit de la competencia a las perturbaciones externas como el calor y las vibraciones. que interrumpen estados cuánticos inherentemente frágiles. El simple acto de leer los resultados de un cálculo cuántico puede destruir el estado cuántico, un fenómeno conocido como "demolición cuántica".
Los investigadores teorizan que el enfoque actual puede evitar este problema porque usa luz para sondear el estado del sistema cuántico. Light ya se utiliza como mensajero para llevar señales de cable e Internet a los hogares a través de cables de fibra óptica. y también se está utilizando para conectar sistemas qubit superconductores, pero esta es una de las primeras aplicaciones en qubits de espín de silicio.
En estos qubits, la información está representada por el espín del electrón, que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. Por ejemplo, un giro apuntando hacia arriba podría representar un 0 y un giro apuntando hacia abajo podría representar un 1. Computadoras convencionales, a diferencia de, usa la carga del electrón para codificar información.
Conectar qubits basados en silicio para que puedan hablar entre ellos sin destruir su información ha sido un desafío para el campo. Aunque el equipo dirigido por Princeton acopló con éxito dos espines de electrones vecinos separados por solo 100 nanómetros (100 mil millonésimas de metro), como se publicó en Science en diciembre de 2017, acoplar el giro a la luz, que permitiría el acoplamiento espín-espín a larga distancia, ha sido un desafío hasta ahora.
En el estudio actual, el equipo resolvió el problema de la comunicación a larga distancia acoplando la información del qubit, es decir, si el giro apunta hacia arriba o hacia abajo, a una partícula de luz, o fotón, que está atrapado por encima del qubit en la cámara. La naturaleza ondulatoria del fotón le permite oscilar por encima del qubit como una nube ondulante.
El estudiante graduado Xiao Mi y sus colegas descubrieron cómo vincular la información sobre la dirección del giro al fotón, para que la luz pueda captar un mensaje, como "girar puntos hacia arriba, "del qubit". El fuerte acoplamiento de un solo giro a un solo fotón es una tarea extraordinariamente difícil similar a una danza perfectamente coreografiada, "Mi dijo". La interacción entre los participantes:giro, carga y fotón:debe diseñarse con precisión y protegerse del ruido ambiental, lo que no ha sido posible hasta ahora ". El equipo de Princeton incluía al becario postdoctoral Stefan Putz y al estudiante graduado David Zajac.
El avance fue posible aprovechando las propiedades de las ondas electromagnéticas de la luz. La luz consiste en campos eléctricos y magnéticos oscilantes, y los investigadores lograron acoplar el campo eléctrico de la luz al estado de giro del electrón.
Los investigadores lo hicieron basándose en el hallazgo del equipo publicado en diciembre de 2016 en la revista Science que demostró el acoplamiento entre una sola carga electrónica y una sola partícula de luz.
Para persuadir al qubit para que transmita su estado de giro al fotón, los investigadores colocan el espín del electrón en un gran gradiente de campo magnético de modo que el espín del electrón tenga una orientación diferente según el lado del punto cuántico que ocupe. El gradiente del campo magnético, combinado con el acoplamiento de carga demostrado por el grupo en 2016, acopla la dirección de giro del qubit al campo eléctrico del fotón.
Idealmente, el fotón luego enviará el mensaje a otro qubit ubicado dentro de la cámara. Otra posibilidad es que el mensaje del fotón se pueda llevar a través de cables a un dispositivo que lea el mensaje. Los investigadores están trabajando en estos próximos pasos del proceso.
Todavía se necesitan varios pasos antes de hacer una computadora cuántica basada en silicio, Dijo Petta. Las computadoras cotidianas procesan miles de millones de bits, y aunque los qubits son más poderosos computacionalmente, la mayoría de los expertos están de acuerdo en que se necesitan 50 o más qubits para lograr la supremacía cuántica, donde las computadoras cuánticas comenzarían a eclipsar a sus contrapartes clásicas.
Daniel Loss, un profesor de física en la Universidad de Basilea en Suiza que está familiarizado con el trabajo pero no participa directamente, dijo:"El trabajo del profesor Petta y sus colaboradores es uno de los avances más emocionantes en el campo de los qubits de giro en los últimos años. He estado siguiendo el trabajo de Jason durante muchos años y estoy profundamente impresionado por los estándares que ha establecido para el campo, y una vez más con este último experimento que aparecerá en Naturaleza . Es un gran hito en la búsqueda de la construcción de una computadora cuántica verdaderamente poderosa, ya que abre un camino para acumular cientos de millones de qubits en un chip de una pulgada cuadrada. Estos son desarrollos muy interesantes para el campo ¬— y más allá ".
