En el Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague, Los investigadores se han dado cuenta del intercambio de espines de electrones entre puntos cuánticos distantes. El descubrimiento nos acerca un paso más a las futuras aplicaciones de la información cuántica, ya que los pequeños puntos tienen que dejar suficiente espacio en el microchip para los delicados electrodos de control. La distancia entre los puntos ahora se ha vuelto lo suficientemente grande para la integración con la microelectrónica tradicional y tal vez, una futura computadora cuántica. El resultado se logra a través de una colaboración multinacional con Purdue University y UNSW, Sydney, Australia, ahora publicado en Comunicaciones de la naturaleza .

El tamaño importa en el intercambio de información cuántica incluso a escala nanométrica

La información cuántica se puede almacenar e intercambiar utilizando estados de espín de electrones. La carga de los electrones se puede manipular mediante pulsos de voltaje de puerta, que también controla su giro. Se creía que este método solo puede ser práctico si los puntos cuánticos se tocan entre sí; si se aprietan demasiado juntos, los giros reaccionarán con demasiada violencia, si se colocan demasiado separados, los giros interactuarán con demasiada lentitud. Esto crea un dilema, porque si una computadora cuántica alguna vez va a ver la luz del día, necesitamos ambos, intercambio de espín rápido y suficiente espacio alrededor de los puntos cuánticos para acomodar los electrodos de puerta pulsada.

Normalmente, los puntos izquierdo y derecho en la matriz lineal de puntos cuánticos (Ilustración 1) están demasiado separados para intercambiar información cuántica entre sí. Frederico Martins, postdoctorado en UNSW, Sydney, Australia, explica:"Codificamos información cuántica en los estados de espín de los electrones, que tienen la propiedad deseable de que no interactúan mucho con el entorno ruidoso, haciéndolos útiles como memorias cuánticas robustas y de larga duración. Pero cuando desee procesar activamente información cuántica, la falta de interacción es contraproducente, ¡porque ahora quieres que los giros interactúen! "¿Qué hacer? No puedes tener información de larga duración e intercambio de información, o eso parece". Descubrimos que colocando una gran, punto cuántico alargado entre los puntos de la izquierda y los puntos de la derecha, puede mediar un intercambio coherente de estados de giro, en una milmillonésima de segundo, sin mover electrones fuera de sus puntos. En otras palabras, ahora tenemos una interacción rápida y el espacio necesario para los electrodos de puerta pulsada ", dice Ferdinand Kuemmeth, profesor asociado del Instituto Niels Bohr.

La colaboración entre investigadores con experiencia diversa fue clave para el éxito. Las colaboraciones internas hacen avanzar constantemente la confiabilidad de los procesos de nanofabricación y la sofisticación de las técnicas de baja temperatura. De hecho, en el Centro de Dispositivos Cuánticos, Los principales contendientes para la implementación de computadoras cuánticas de estado sólido se estudian intensamente en la actualidad, a saber, qubits de espín semiconductores, qubits gatemon superconductores, y qubits topológicos de Majorana.

Todos ellos son qubits controlados por voltaje, permitiendo a los investigadores compartir trucos y resolver desafíos técnicos juntos. Pero Kuemmeth se apresura a agregar que "todo esto sería inútil si no tuviéramos acceso a cristales semiconductores extremadamente limpios en primer lugar". Michael Manfra, Profesor de Ingeniería de Materiales, está de acuerdo:"Purdue ha trabajado mucho para comprender los mecanismos que conducen a puntos cuánticos silenciosos y estables. Es fantástico ver que este trabajo produce beneficios para los nuevos qubits de Copenhague".

El marco teórico del descubrimiento es proporcionado por la Universidad de Sydney, Australia. Stephen Bartlett, profesor de física cuántica en la Universidad de Sydney, dijo:"Lo que encuentro emocionante acerca de este resultado como teórico, es que nos libera de la geometría restrictiva de un qubit que solo depende de sus vecinos más cercanos ". Su equipo realizó cálculos detallados, proporcionando la explicación de la mecánica cuántica para el descubrimiento contradictorio.

En general, La demostración del intercambio rápido de espín constituye no solo un logro científico y técnico notable, pero puede tener profundas implicaciones para la arquitectura de las computadoras cuánticas de estado sólido. La razón es la distancia:"Si los giros entre qubits no vecinos se pueden intercambiar de manera controlable, esto permitirá la realización de redes en las que el aumento de la conectividad qubit-qubit se traduce en un volumen cuántico computacional significativamente mayor ", predice Kuemmeth.