En los próximos años, Las computadoras cuánticas y las redes cuánticas podrían abordar tareas que son inaccesibles para los sistemas informáticos tradicionales. Por ejemplo, podrían usarse para simular materia compleja o permitir comunicaciones fundamentalmente seguras.

Los bloques de construcción elementales de los sistemas de información cuántica se conocen como qubits. Para que la tecnología cuántica se convierta en una realidad tangible, los investigadores deberán identificar estrategias para controlar muchos qubits con tasas de precisión muy altas.

Giros de partículas individuales en sólidos, como los electrones y los núcleos, se han mostrado recientemente muy prometedores para el desarrollo de redes cuánticas. Si bien algunos investigadores pudieron demostrar un control elemental de estos qubits, hasta aquí, nadie ha informado de estados cuánticos entrelazados que contengan más de tres giros.

Para alcanzar la potencia computacional necesaria para completar tareas complejas, Los registros cuánticos deberían ser significativamente más grandes que los realizados hasta ahora. Sin embargo, Hasta ahora, el control de espines individuales dentro de sistemas cuánticos complejos y que interactúan fuertemente ha demostrado ser un gran desafío.

Recientemente, un equipo de investigadores de TU Delft y Element Six ha demostrado con éxito un registro de giro de diez qubit totalmente controlable con una memoria cuántica de hasta un minuto. Sus hallazgos, presentado en un artículo publicado en Revisión física X , podría allanar el camino para el desarrollo de registros cuánticos más grandes pero controlables, en última instancia, abriendo nuevas e interesantes posibilidades para la computación cuántica.

"El objetivo principal de nuestro estudio fue realizar un sistema controlado con precisión de una gran cantidad de qubits utilizando los giros de átomos incrustados en un diamante, "Tim Taminiau, uno de los investigadores que realizó el estudio, le dijo a Phys.org por correo electrónico. "Estos giros son bits cuánticos prometedores para la computación cuántica y las redes cuánticas, pero los resultados anteriores se limitaron a unos pocos qubits. El desafío clave es que, por un lado, todos los giros en el sistema deben estar acoplados para funcionar como un solo procesador cuántico, pero en la otra mano, esto hace que sea difícil controlarlos de forma selectiva con alta precisión ".

Taminiau y sus colegas desarrollaron con éxito un método completamente nuevo para controlar múltiples qubits. Esta técnica utiliza un qubit de espín de electrones para controlar selectivamente muchos qubits de espín nuclear individuales, al mismo tiempo que los desacopla y, por lo tanto, los protege de interacciones no deseadas en el sistema.

Usando su método, los investigadores pudieron controlar un número considerablemente mayor de giros en comparación con estudios anteriores, con una precisión notablemente alta. Aplicaron su técnica a un sistema compuesto por 10 giros asociados a un centro de nitrógeno vacante (NV) en diamante. Este centro NV tiene un espín electrónico que proporciona un qubit que se puede leer ópticamente (es decir, se puede determinar su valor) y que se puede controlar con pulsos de microondas.

"Este espín de electrones se acopla a espines nucleares en el medio ambiente, "Conor Bradley, un doctorado estudiante y autor principal del estudio, explicado. "Uno de esos espines nucleares es el espín nuclear de nitrógeno intrínseco del NV. Los 8 qubits adicionales son espines nucleares de carbono 13 que rodean al NV. Naturalmente, alrededor del 1,1 por ciento de los átomos de carbono en el diamante son carbono 13 y tienen un espín, es decir, se pueden utilizar como qubit, los otros átomos de carbono son carbono-12 y no tienen giro ".

Aunque los investigadores aplicaron su método a un sistema específico de 10 qubit, creen que también podría implementarse en otros sistemas, incluyendo otros centros de defectos en diamante y carburo de silicio, puntos cuánticos y donantes en silicio. Cada uno de los qubits alojados por estos otros sistemas tiene sus propias fortalezas para completar una variedad de tareas complejas.

"El principal logro de nuestro estudio es un sistema cuántico de 10 espín-qubit que puede almacenar información cuántica durante tiempos muy largos de hasta 75 segundos, ", Dijo Taminiau." Aunque otros investigadores pudieron lograr resultados similares con iones atrapados en el vacío, esta combinación de muchos qubits, el control preciso y la memoria cuántica de larga duración son únicos para los bits cuánticos basados ​​en chips ".

El sistema demostrado por Taminiau y sus colegas podría ser un bloque de construcción clave para grandes redes cuánticas en las que múltiples NV se centran, cada uno proporcionando varios qubits, están conectados entre sí ópticamente. Esta capacidad particular ya fue descrita y demostrada por los investigadores en un estudio anterior.

"Además de la importancia de este estudio como demostración hacia sistemas de información cuántica más grandes, Este trabajo también proporciona nuevos conocimientos sobre la decoherencia (la pérdida de información cuántica) para espines en sólidos, "Dijo Taminiau.

Los hallazgos reunidos por este equipo de investigadores destacan la viabilidad de estudiar cómo los estados entrelazados de múltiples qubits de espín se descodifican, así como también cómo las correlaciones en el entorno de ruido pueden jugar un papel vital en este proceso. El método que desarrollaron también abre nuevas posibilidades para la detección cuántica y la obtención de imágenes a escala atómica de espines individuales. donde el objetivo no es controlar los giros sino detectarlos, con el fin de recopilar información sobre muestras interesantes para estudios de química, biología y ciencia de los materiales.

En su investigación futura, Taminiau y sus colegas planean demostrar una técnica llamada corrección de errores cuánticos. Este tipo particular de corrección de errores podría ayudar a superar todas las imperfecciones inevitables de los sistemas cuánticos existentes, permitiendo en última instancia la creación de sistemas cuánticos a gran escala.

"Esto requerirá codificar estados cuánticos en muchos qubits y realizar mediciones cuidadosas para detectar y corregir errores sin alterar la información codificada". ", Agregó Taminiau." Hasta ahora, esto ha estado fuera del alcance de cualquier sistema, pero nuestros resultados ahora hacen posible seguir esto usando giros en diamante ".

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