Para hacer que los qubits de las computadoras cuánticas sean menos susceptibles al ruido, se utiliza preferentemente el espín de un electrón o de alguna otra partícula. Los investigadores de ETH Zurich ahora han desarrollado un método que hace posible acoplar fuertemente un qubit de espín a fotones de microondas.

Las computadoras cuánticas usan bits cuánticos o "qubits" para hacer sus cálculos:estados cuánticos, es decir, de átomos o electrones que pueden tomar los valores lógicos "0" y "1" al mismo tiempo. Para conectar muchos de esos qubits para hacer una poderosa computadora cuántica, es necesario acoplarlos entre sí en distancias de milímetros o incluso varios metros. Una forma de lograrlo es aprovechando el desplazamiento de carga causado por una onda electromagnética, que es el principio de funcionamiento de una antena. Tal acoplamiento, sin embargo, también expone el qubit a perturbaciones debidas a campos eléctricos no deseados, lo que limita severamente la calidad de las operaciones lógicas del qubit.

Un equipo de científicos que trabaja en varios grupos de investigación en ETH Zurich, asistido por físicos teóricos de la Universidad de Sherbrooke en Canadá, ahora han demostrado cómo se puede evitar este problema. Para hacerlo encontraron una manera de acoplar un fotón de microondas a un qubit de espín en un punto cuántico.

Qubits con carga o giro

En puntos cuánticos, Los electrones primero quedan atrapados en estructuras semiconductoras que miden solo unos pocos nanómetros y que se enfrían a menos de un grado por encima del cero absoluto de la escala de temperatura. Los valores lógicos 0 y 1 ahora se pueden realizar de dos formas diferentes. Uno define un qubit en términos de la posición del electrón en el lado derecho o izquierdo de un doble punto cuántico, o bien por el giro del electrón, que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo.

El primer caso se llama qubit de carga, que se acopla fuertemente a las ondas electromagnéticas a través del desplazamiento de la carga eléctrica. Un qubit de giro por otra parte, se puede visualizar como una pequeña aguja de brújula que apunta hacia arriba o hacia abajo. Al igual que la aguja de una brújula, un giro también es magnético y, por lo tanto, no se acopla a campos eléctricos sino a campos magnéticos. El acoplamiento de un qubit de espín a la parte magnética de ondas electromagnéticas, sin embargo, es mucho más débil que el de un qubit de carga a la parte eléctrica.

Tres giros para un acoplamiento más fuerte

Esto significa que, Por un lado, un qubit de espín es menos susceptible al ruido y mantiene su coherencia (en la que se basa la acción de una computadora cuántica) durante un período de tiempo más largo. Por otra parte, Es considerablemente más difícil acoplar qubits de espín entre sí a largas distancias utilizando fotones. Sin embargo, el grupo de investigación del profesor de ETH Klaus Ensslin utiliza un truco para hacer posible ese acoplamiento, como explica el postdoctorado Jonne Koski:"Al realizar el qubit con no solo un giro, sino más bien tres de ellos, podemos combinar las ventajas de un spin qubit con las de un charge qubit ".

En la práctica, esto se hace produciendo tres puntos cuánticos en un chip semiconductor que están cerca uno del otro y pueden ser controlados por voltajes que se aplican a través de pequeños cables. En cada uno de los puntos cuánticos, los electrones con espines apuntando hacia arriba o hacia abajo pueden quedar atrapados. Adicionalmente, uno de los cables conecta el trío de espín a un resonador de microondas. Los voltajes en los puntos cuánticos ahora se ajustan para tener un solo electrón en cada punto cuántico, con los espines de dos de los electrones apuntando en la misma dirección y el tercer espín apuntando en la dirección opuesta.

Carga de desplazamiento a través de túneles

Según las reglas de la mecánica cuántica, los electrones también pueden hacer un túnel de ida y vuelta entre los puntos cuánticos con cierta probabilidad. Esto significa que dos de los tres electrones pueden estar temporalmente en el mismo punto cuántico, con un punto cuántico que permanece vacío. En esta constelación, la carga eléctrica ahora está distribuida de manera desigual. Este desplazamiento de carga, Sucesivamente, da lugar a un dipolo eléctrico que puede acoplarse fuertemente al campo eléctrico de un fotón de microondas.

Los científicos de ETH pudieron detectar claramente el fuerte acoplamiento midiendo la frecuencia de resonancia del resonador de microondas. Observaron cómo la resonancia del resonador se dividió en dos debido al acoplamiento al trío de espines. A partir de esos datos, pudieron inferir que la coherencia del qubit de espín permaneció intacta durante más de 10 nanosegundos.

Gira tríos para un bus cuántico

Los investigadores confían en que pronto será posible realizar un canal de comunicación para la información cuántica entre dos qubits de espín utilizando esta tecnología. "Esto requerirá que coloquemos tríos de espín en cada extremo del resonador de microondas y mostrar que los qubits se acoplan entre sí a través de un fotón de microondas", dice Andreas Landig, primer autor del artículo y Ph.D. estudiante en el grupo de Ensslin. Este sería un paso importante hacia una red de qubits de espín distribuidos espacialmente. Los investigadores también enfatizan que su método es muy versátil y se puede aplicar directamente a otros materiales como el grafeno.