La computación cuántica tiene el potencial de revolucionar la tecnología, medicamento, y ciencia al proporcionar procesadores más rápidos y eficientes, sensores, y dispositivos de comunicación.

Pero transferir información y corregir errores dentro de un sistema cuántico sigue siendo un desafío para hacer computadoras cuánticas efectivas.

En un artículo de la revista Naturaleza , investigadores de la Universidad de Purdue y la Universidad de Rochester, incluido John Nichol, un profesor asistente de física, y Rochester Ph.D. estudiantes Yadav P. Kandel y Haifeng Qiao, demostrar su método de transmitir información mediante la transferencia del estado de los electrones. La investigación acerca a los científicos un paso más hacia la creación de computadoras cuánticas completamente funcionales y es el último ejemplo de la iniciativa de Rochester para comprender mejor el comportamiento cuántico y desarrollar nuevos sistemas cuánticos. La Universidad recibió recientemente una subvención de $ 4 millones del Departamento de Energía para explorar materiales cuánticos.

Computadoras cuánticas

Una computadora cuántica opera según los principios de la mecánica cuántica, un conjunto único de reglas que gobiernan a una escala extremadamente pequeña de átomos y partículas subatómicas. Cuando se trata de partículas a estas escalas, muchas de las reglas que gobiernan la física clásica ya no se aplican y surgen los efectos cuánticos; una computadora cuántica es capaz de realizar cálculos complejos, factorizar números extremadamente grandes, y simular el comportamiento de átomos y partículas a niveles que las computadoras clásicas no pueden.

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de proporcionar más información sobre los principios de la física y la química al simular el comportamiento de la materia en condiciones inusuales a nivel molecular. Estas simulaciones podrían ser útiles para desarrollar nuevas fuentes de energía y estudiar las condiciones de planetas y galaxias o comparar compuestos que podrían conducir a nuevas terapias con medicamentos.

"Tú y yo somos sistemas cuánticos. Las partículas de nuestro cuerpo obedecen a la física cuántica. Pero, si intentas calcular lo que sucede con todos los átomos de nuestro cuerpo, no puedes hacerlo en una computadora normal, "Dice Nichol." Una computadora cuántica podría hacer esto fácilmente ".

Las computadoras cuánticas también podrían abrir puertas para búsquedas de bases de datos y criptografía más rápidas.

"Resulta que casi toda la criptografía moderna se basa en la extrema dificultad de las computadoras normales para factorizar grandes números, ", Dice Nichol." Las computadoras cuánticas pueden factorizar fácilmente grandes números y romper esquemas de cifrado, así que puedes imaginar por qué muchos gobiernos están interesados ​​en esto ".

Bits contra qubits

Una computadora normal consta de miles de millones de transistores, llamados bits. Computadoras cuánticas, por otra parte, se basan en bits cuánticos, también conocido como qubits, que se puede hacer a partir de un solo electrón. A diferencia de los transistores ordinarios, que puede ser "0" o "1, "qubits puede ser" 0 "y" 1 "al mismo tiempo. La capacidad de los qubits individuales para ocupar estos" estados de superposición, "donde están simultáneamente en varios estados, subyace al gran potencial de las computadoras cuánticas. Al igual que las computadoras ordinarias, sin embargo, Las computadoras cuánticas necesitan una forma de transferir información entre qubits, y esto presenta un gran desafío experimental.

"Una computadora cuántica necesita tener muchos qubits, y son realmente difíciles de fabricar y operar, ", Dice Nichol." El estado del arte en este momento está haciendo algo con solo unos pocos qubits, así que todavía estamos muy lejos de realizar todo el potencial de las computadoras cuánticas ".

Todas las computadoras Incluyendo computadoras y dispositivos regulares y cuánticos como teléfonos inteligentes, También tiene que realizar la corrección de errores. Una computadora normal contiene copias de bits, por lo que si uno de los bits falla, "el resto simplemente va a tomar una mayoría de votos" y corregir el error. Sin embargo, los bits cuánticos no se pueden copiar, Nichol dice:"así que tienes que ser muy inteligente sobre cómo corregir los errores. Lo que estamos haciendo aquí es un paso en esa dirección".

Manipular electrones

La corrección de errores cuánticos requiere que los qubits individuales interactúen con muchos otros qubits. Esto puede ser difícil porque un electrón individual es como un imán de barra con un polo norte y un polo sur que pueden apuntar hacia arriba o hacia abajo. La dirección del polo, ya sea que el polo norte apunte hacia arriba o hacia abajo, por ejemplo, se conoce como momento magnético del electrón o estado cuántico.

Si ciertos tipos de partículas tienen el mismo momento magnético, no pueden estar en el mismo lugar al mismo tiempo. Es decir, dos electrones en el mismo estado cuántico no pueden colocarse uno encima del otro.

"Esta es una de las principales razones por las que algo como un centavo, que está hecho de metal, no colapsa sobre sí mismo, "Dice Nichol." Los electrones se están separando porque no pueden estar en el mismo lugar al mismo tiempo ".

Si dos electrones están en estados opuestos, pueden sentarse uno encima del otro. Una consecuencia sorprendente de esto es que si los electrones están lo suficientemente cerca, sus estados cambiarán de un lado a otro con el tiempo.

"Si tienes un electrón que está arriba y otro que está abajo y los empujas juntos por la cantidad de tiempo justa, ellos intercambiarán, "Dice Nichol." No cambiaron de lugar, pero sus estados cambiaron ".

Para forzar este fenómeno, Nichol y sus colegas enfriaron un chip semiconductor a temperaturas extremadamente bajas. Usando puntos cuánticos, semiconductores a nanoescala, atraparon cuatro electrones en una fila, luego movió los electrones para que entraran en contacto y sus estados cambiaran.

"Existe una manera fácil de cambiar el estado entre dos electrones vecinos, pero hacerlo a largas distancias, en nuestro caso, son cuatro electrones:requiere mucho control y habilidad técnica, "Dice Nichol." Nuestra investigación muestra que este es ahora un enfoque viable para enviar información a largas distancias ".

Un primer paso

Transmitir el estado de un electrón de un lado a otro a través de una matriz de qubits, sin mover la posición de los electrones, proporciona un ejemplo sorprendente de las posibilidades que ofrece la física cuántica para la ciencia de la información.

"Este experimento demuestra que la información en estados cuánticos se puede transferir sin transferir realmente los giros de electrones individuales hacia abajo en la cadena, "dice Michael Manfra, profesor de física y astronomía en la Universidad de Purdue. "Es un paso importante para mostrar cómo la información se puede transmitir de forma mecánica cuántica, de maneras muy diferentes a las que nuestra intuición clásica nos haría creer".

Nichol compara esto con los pasos que llevaron desde los primeros dispositivos informáticos hasta las computadoras actuales. Dicho eso ¿Tendremos todos algún día computadoras cuánticas para reemplazar nuestras computadoras de escritorio? "Si le hubieras hecho esa pregunta a IBM en la década de 1960, probablemente habrían dicho que no, no hay forma de que eso suceda, "Dice Nichol." Esa es mi reacción ahora. Pero, ¿quién sabe?"