Las computadoras convencionales almacenan información en un poco, una unidad fundamental de lógica que puede tomar un valor de 0 o 1. Las computadoras cuánticas se basan en bits cuánticos, también conocido como "qubits, "como sus bloques de construcción fundamentales. Los bits de las computadoras tradicionales codifican un valor único, ya sea un 0 o un 1. El estado de un qubit, por el contrario, puede tener simultáneamente un valor de 0 y 1. Esta propiedad peculiar, una consecuencia de las leyes fundamentales de la física cuántica, resulta en la dramática complejidad de los sistemas cuánticos.

La computación cuántica es un campo incipiente y en rápido desarrollo que promete utilizar esta complejidad para resolver problemas que son difíciles de abordar con las computadoras convencionales. Un desafío clave para la computación cuántica, sin embargo, es que requiere hacer que un gran número de qubits trabajen juntos, lo cual es difícil de lograr mientras se evitan las interacciones con el entorno exterior que robarían a los qubits sus propiedades cuánticas.

Nueva investigación del laboratorio de Oskar Painter, Profesor John G Braun de Física Aplicada y Física en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, explora el uso de metamateriales superconductores para superar este desafío.

Los metamateriales están especialmente diseñados combinando materiales de múltiples componentes a una escala más pequeña que la longitud de onda de la luz. dándoles la capacidad de manipular cómo las partículas de luz, o fotones, comportarse. Los metamateriales se pueden utilizar para reflejar, girar, o enfocar haces de luz de casi cualquier manera deseada. Un metamaterial también puede crear una banda de frecuencia donde la propagación de fotones se vuelve completamente prohibida, una llamada "banda prohibida fotónica".

El equipo de Caltech utilizó una banda prohibida fotónica para atrapar fotones de microondas en un circuito cuántico superconductor, creando una tecnología prometedora para la construcción de futuras computadoras cuánticas.

"En principio, este es un sustrato escalable y flexible sobre el cual construir circuitos complejos para interconectar ciertos tipos de qubits, "dice Painter, líder del grupo que realizó la investigación, que fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza el 12 de septiembre. "No sólo se puede jugar con la disposición espacial de la conectividad entre qubits, pero también se puede diseñar la conectividad para que ocurra solo en ciertas frecuencias deseadas ".

Painter y su equipo crearon un circuito cuántico que consta de películas delgadas de un superconductor, un material que transmite corriente eléctrica con poca o ninguna pérdida de energía, trazada sobre un microchip de silicio. Estos patrones superconductores transportan microondas de una parte del microchip a otra. ¿Qué hace que el sistema funcione en un régimen cuántico? sin embargo, es el uso de un llamado cruce de Josephson, que consiste en una capa no conductora atómicamente delgada intercalada entre dos electrodos superconductores. La unión de Josephson crea una fuente de fotones de microondas con dos estados distintos y aislados, como el suelo de un átomo y estados electrónicos excitados, que están involucrados en la emisión de luz, o, en el lenguaje de la computación cuántica, un qubit.

"Los circuitos cuánticos superconductores permiten realizar experimentos de electrodinámica cuántica fundamental utilizando un circuito eléctrico de microondas que parece que podría haber sido arrancado directamente de su teléfono celular, ", Dice Painter." Creemos que el aumento de estos circuitos con metamateriales superconductores puede permitir futuras tecnologías de computación cuántica y promover el estudio de sistemas cuánticos más complejos que se encuentran más allá de nuestra capacidad de modelar utilizando incluso las simulaciones por computadora clásicas más poderosas ".

El artículo se titula "Metamateriales superconductores para la electrodinámica cuántica de guías de ondas".