Computadoras cuánticas, que funcionan según las extrañas reglas de la mecánica cuántica, que algún día revolucione el mundo. Una vez que hayamos logrado construir una potente máquina de trabajo, podrá resolver algunos problemas que a las computadoras de hoy en día les lleva millones de años calcular.

Las computadoras usan bits (cero o uno) para codificar información. Las computadoras cuánticas usan "qubits", que pueden tomar cualquier valor entre cero y uno, lo que les da una enorme potencia de procesamiento. Pero los sistemas cuánticos son notoriamente frágiles, y aunque se ha avanzado en la construcción de máquinas de trabajo para algunas aplicaciones propuestas, la tarea sigue siendo difícil. Pero un nuevo enfoque denominada espintrónica molecular, ofrece una nueva esperanza.

En 1997, Los físicos teóricos Daniel Loss y David DiVincenzo establecieron las reglas generales necesarias para crear una computadora cuántica. Mientras que los dispositivos electrónicos normales usan carga eléctrica para representar información como ceros y unos, Las computadoras cuánticas a menudo usan estados de "espín" de electrones para representar qubits.

El giro es una cantidad fundamental que hemos aprendido a través de la mecánica cuántica. Desafortunadamente, carece de una contraparte precisa en la experiencia cotidiana, aunque a veces se utiliza una analogía de un planeta que gira sobre su propio eje.

Sabemos que los electrones giran en dos direcciones o "estados" diferentes (denominados arriba y abajo). Según la mecánica cuántica, cada electrón en un material gira en una combinación (superposición) de estos estados, un cierto bit hacia arriba y un cierto bit hacia abajo. Así es como puede obtener tantos valores en lugar de solo cero o uno.

Entre los cinco requisitos para construir una computadora cuántica desarrollados por Loss y DiVincenzo se incluye la posibilidad de ampliar el sistema. Más qubits significan más poder. Otro fue hacer que la información sobreviviera durante un período de tiempo razonable una vez codificada, mientras que otros se referían a la inicialización, manipulación y lectura del sistema físico.

Aunque originalmente se concibió para una computadora cuántica basada en giros de electrones en pequeñas partículas de semiconductores, la propuesta ahora se ha implementado en muchos sistemas físicos, incluidos los iones atrapados, superconductores y diamantes.

Pero, Desafortunadamente, estos requieren un vacío casi perfecto, Temperaturas extremadamente bajas y sin perturbaciones para operar. También son difíciles de ampliar.

Espintrónica molecular

La espintrónica es una forma de electrónica basada en el giro en lugar de la carga. El giro se puede medir porque genera pequeños campos magnéticos. Esta tecnología, que a menudo utiliza semiconductores para manipular y medir el giro, ya ha tenido un gran impacto en la mejora del almacenamiento de información en el disco duro.

Ahora, Los científicos se están dando cuenta de que la espintrónica también se puede realizar en moléculas orgánicas que contienen anillos de átomos de carbono. Y eso lo conecta con otro campo de investigación llamado electrónica molecular, que tiene como objetivo construir dispositivos electrónicos a partir de moléculas individuales y películas de moléculas.

La combinación ha resultado útil. Al controlar y manipular cuidadosamente el espín de un electrón dentro de una molécula, resulta que en realidad podemos hacer cálculos cuánticos. La preparación y lectura del estado de giro del electrón en las moléculas se realiza zapping con campos eléctricos o magnéticos.

Las moléculas orgánicas basadas en carbono y los semiconductores de polímeros también abordan el criterio de ser fáciles de escalar. Lo hacen a través de la capacidad de formar marcos moleculares, dentro de los cuales los qubits moleculares se encuentran muy cerca unos de otros. El pequeño tamaño de una sola molécula favorece automáticamente el empaquetado de un gran número de ellas en un chip pequeño.

Además, los materiales orgánicos perturban los espines cuánticos menos que otros materiales electrónicos. Eso es porque están compuestos de elementos relativamente ligeros como carbono e hidrógeno, resultando en interacciones más débiles con los electrones giratorios. Esto evita que sus giros se vuelvan fácilmente. haciendo que se conserven durante largos períodos de hasta varios microsegundos.

En una molécula con forma de hélice, esta duración puede llegar incluso a un milisegundo. Estos tiempos relativamente largos son suficientes para realizar las operaciones, otra gran ventaja.

Desafíos restantes

Pero aún nos queda mucho por aprender. Además de comprender las causas de la vida útil prolongada de los espines en las moléculas orgánicas, Es necesario comprender qué tan lejos pueden viajar estos espines dentro de los circuitos orgánicos para construir circuitos electrónicos eficientes basados ​​en espines. La siguiente figura muestra algunos de nuestros conceptos para dispositivos espintrónicos orgánicos exploratorios hacia este objetivo.

También existen importantes desafíos para lograr que dichos dispositivos funcionen de manera eficiente. Los electrones cargados que llevan giros en un material orgánico saltan constantemente de molécula en molécula a medida que se mueven. Desafortunadamente, esta actividad de salto es una fuente de ruido eléctrico, lo que dificulta la medición eléctrica de firmas de corriente de espín pequeñas utilizando arquitecturas convencionales. Dicho eso una técnica relativamente nueva conocida como bombeo de espín podría resultar adecuada para generar corrientes de espín con poco ruido en materiales orgánicos.

Otro problema al tratar de hacer que las moléculas orgánicas sean candidatos serios dentro de las futuras tecnologías cuánticas es la capacidad de controlar y medir de manera coherente los espines en moléculas individuales. o en un pequeño número de moléculas. Este gran desafío está experimentando un tremendo progreso actualmente. Por ejemplo, Un programa simple para una computadora cuántica conocido como "algoritmo de búsqueda de Grover" se implementó recientemente en una sola molécula magnética. Se sabe que este algoritmo reduce significativamente el tiempo necesario para realizar una búsqueda en una base de datos sin clasificar.

En otro informe, un conjunto de moléculas se integró con éxito en un dispositivo superconductor híbrido. Proporcionó una prueba de concepto al combinar qubits de espín molecular con arquitecturas cuánticas existentes.

Queda mucho por hacer, pero en el estado actual de la situación, Los sistemas de espín molecular están encontrando rápidamente varias aplicaciones nuevas en tecnologías cuánticas. Con la ventaja del tamaño pequeño y los giros de larga duración, es solo cuestión de tiempo antes de que cimenten su lugar en la hoja de ruta de las tecnologías cuánticas.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.