Una ilustración que muestra los estados de pseudospin "arriba" y "abajo", un pulso de luz y el paisaje montañoso de energía experimentado por los electrones. Crédito:Stefan Schlauderer, Universidad de Ratisbona
Una técnica para manipular electrones con luz podría llevar la computación cuántica a temperatura ambiente.
Un equipo de investigadores en Alemania y en la Universidad de Michigan ha demostrado cómo los pulsos de láser infrarrojo pueden cambiar electrones entre dos estados diferentes. el clásico 1 y 0, en una fina hoja de semiconductor.
"La electrónica ordinaria está en el rango de gigahercios, mil millones de operaciones por segundo. Este método es un millón de veces más rápido, "dijo Mackillo Kira, Catedrático de Ingeniería Eléctrica e Informática de la UM.
Dirigió la parte teórica del estudio, para ser publicado en la revista Naturaleza , colaborando con físicos de la Universidad de Marburg en Alemania. El experimento se realizó en la Universidad de Regensburg en Alemania.
La computación cuántica podría resolver problemas que toman demasiado tiempo en las computadoras convencionales, avanzar en áreas como la inteligencia artificial, pronóstico del tiempo y diseño de fármacos. Las computadoras cuánticas obtienen su poder de la forma en que sus bits mecánicos cuánticos, o qubits, no son simplemente unos o ceros, pero pueden ser mezclas —conocidas como superposiciones— de estos estados.
"En una computadora clásica, Cada configuración de bits debe almacenarse y procesarse una por una, mientras que un conjunto de qubits puede almacenar y procesar idealmente todas las configuraciones con una sola ejecución. "Dijo Kira.
Esto significa que cuando desee ver un montón de posibles soluciones a un problema y encontrar la mejor opción, La computación cuántica puede llevarlo allí mucho más rápido.
Pero los qubits son difíciles de hacer porque los estados cuánticos son extremadamente frágiles. La principal ruta comercial, perseguido por empresas como Intel, IBM, Microsoft y D-Wave, utiliza circuitos superconductores:bucles de cable enfriado a temperaturas extremadamente frías (-321 ° F o menos), en el que los electrones dejan de chocar entre sí y, en cambio, forman estados cuánticos compartidos a través de un fenómeno conocido como coherencia.
En lugar de encontrar una manera de aferrarse a un estado cuántico durante mucho tiempo, el nuevo estudio demuestra una forma de hacer el procesamiento antes de que los estados se desmoronen.
"A la larga, Vemos una posibilidad realista de introducir dispositivos de información cuántica que realicen operaciones más rápido que una sola oscilación de una onda de luz, "dijo Rupert Huber, profesor de física en la Universidad de Ratisbona, quien dirigió el experimento. "El material es relativamente fácil de hacer, funciona en aire a temperatura ambiente, y con solo unos pocos átomos de espesor, es máximamente compacto ".
El material es una sola capa de tungsteno y selenio en una celosía alveolar. Esta estructura produce un par de estados electrónicos conocidos como pseudoespines. No es el giro del electrón (e incluso entonces, los físicos advierten que los electrones en realidad no están girando), pero es una especie de momento angular. Estas dos pseudoespinas pueden codificar el 1 y el 0.
Representación de un artista de un pulso de luz polarizada circularmente que golpea un semiconductor 2-D, poner los electrones en un estado de pseudopin que podría almacenar información como parte de un nuevo, tecnología informática más rápida. Crédito:Stephen Alvey, Ingeniería de Michigan
El equipo de Huber introdujo electrones en estos estados con rápidos pulsos de luz infrarroja, durando solo unos pocos femtosegundos (quintillonésimas de segundo). El pulso inicial tiene su propio giro, conocida como polarización circular, que envía electrones a un estado de pseudospin. Luego, los pulsos de luz que no tienen espín (polarizados linealmente) pueden empujar a los electrones de una pseudoespina a la otra, y viceversa.
Al tratar estos estados como ordinarios 1 y 0, podría ser posible crear un nuevo tipo de computadora de "ondas de luz" con las velocidades de reloj un millón de veces más rápidas que Kira mencionó. El primer desafío a lo largo de esta ruta será utilizar un tren de pulsos láser para "voltear" las pseudoespinas a voluntad.
Pero los electrones también pueden formar estados de superposición entre las dos pseudoespinas. Con una serie de pulsos, Debería ser posible realizar cálculos hasta que los electrones salgan de su estado coherente. El equipo demostró que podían voltear un qubit lo suficientemente rápido como para ejecutar una serie de operaciones; básicamente, es lo suficientemente rápido para funcionar en un procesador cuántico.
Es más, los electrones envían luz constantemente, lo que facilita la lectura de un qubit sin alterar su delicado estado cuántico. La polarización circular en el sentido de las agujas del reloj indica un estado de pseudospin, en sentido antihorario el otro.
Los próximos pasos hacia la computación cuántica serán poner en marcha dos qubits a la vez, lo suficientemente cerca el uno del otro para que interactúen. Esto podría implicar apilar las hojas planas de semiconductores o utilizar técnicas de nanoestructuración para aislar qubits dentro de una sola hoja. por ejemplo.
