Imagínese un mundo en el que la gente solo pudiera hablar con su vecino de al lado, y los mensajes deben transmitirse de casa en casa para llegar a destinos lejanos.

Hasta ahora, esta ha sido la situación para los bits de hardware que componen una computadora cuántica de silicio, un tipo de computadora cuántica con el potencial de ser más barata y más versátil que las versiones actuales.

Ahora, un equipo de la Universidad de Princeton ha superado esta limitación y ha demostrado que dos componentes de la computación cuántica, conocidos como qubits de "espín" de silicio, pueden interactuar incluso cuando están relativamente separados en un chip de computadora. El estudio fue publicado en la revista Naturaleza .

"La capacidad de transmitir mensajes a esta distancia en un chip de silicio desbloquea nuevas capacidades para nuestro hardware cuántico, "dijo Jason Petta, el profesor de física Eugene Higgins en Princeton y líder del estudio. “El objetivo final es tener múltiples bits cuánticos dispuestos en una cuadrícula bidimensional que pueda realizar cálculos aún más complejos. El estudio debería ayudar a largo plazo a mejorar la comunicación de los qubits en un chip, así como de un chip a otro. "

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de abordar desafíos más allá de las capacidades de las computadoras cotidianas, como factorizar números grandes. Un poco cuántico o qubit, puede procesar mucha más información que un bit de computadora cotidiano porque, mientras que cada bit de computadora clásico puede tener un valor de 0 o 1, un bit cuántico puede representar un rango de valores entre 0 y 1 simultáneamente.

Para hacer realidad la promesa de la computación cuántica, estas computadoras futuristas requerirán decenas de miles de qubits que puedan comunicarse entre sí. Los prototipos de computadoras cuánticas de Google de hoy, IBM y otras compañías contienen decenas de qubits hechos de una tecnología que involucra circuitos superconductores, pero muchos tecnólogos ven los qubits basados ​​en silicio como más prometedores a largo plazo.

Los qubits de espín de silicio tienen varias ventajas sobre los qubits superconductores. Los qubits de espín de silicio conservan su estado cuántico por más tiempo que las tecnologías de qubits de la competencia. El uso generalizado de silicio para las computadoras de todos los días significa que los qubits basados ​​en silicio podrían fabricarse a bajo costo.

El desafío se debe en parte al hecho de que los qubits de espín de silicio están hechos de electrones individuales y son extremadamente pequeños.

"El cableado o 'interconexiones' entre múltiples qubits es el mayor desafío hacia una computadora cuántica a gran escala, "dijo James Clarke, director de hardware cuántico en Intel, cuyo equipo está construyendo qubits de silicio utilizando la línea de fabricación avanzada de Intel, y quién no participó en el estudio. "El equipo de Jason Petta ha hecho un gran trabajo para demostrar que los qubits de giro se pueden acoplar a largas distancias".

Para lograr esto, el equipo de Princeton conectó los qubits a través de un "cable" que transporta la luz de manera análoga a los cables de fibra óptica que envían señales de Internet a los hogares. En este caso, sin embargo, el cable es en realidad una cavidad estrecha que contiene una sola partícula de luz, o fotón, que recoge el mensaje de un qubit y lo transmite al siguiente qubit.

Los dos qubits se ubicaron aproximadamente a medio centímetro, o del largo de un grano de arroz, aparte. Para poner eso en perspectiva, si cada qubit fuera del tamaño de una casa, el qubit podría enviar un mensaje a otro qubit ubicado a 750 millas de distancia.

El paso clave hacia adelante fue encontrar una manera de hacer que los qubits y el fotón hablen el mismo idioma sintonizando los tres para que vibren a la misma frecuencia. El equipo logró sintonizar ambos qubits de forma independiente entre sí, sin dejar de acoplarlos al fotón. Anteriormente, la arquitectura del dispositivo permitía el acoplamiento de solo un qubit al fotón a la vez.

"Tienes que equilibrar las energías de los qubit en ambos lados del chip con la energía de los fotones para que los tres elementos se comuniquen entre sí, "dijo Felix Borjans, estudiante de posgrado y primer autor del estudio. "Esta fue la parte realmente desafiante del trabajo".

Cada qubit está compuesto por un solo electrón atrapado en una pequeña cámara llamada doble punto cuántico. Los electrones poseen una propiedad conocida como espín, que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo de una manera análoga a la aguja de una brújula que apunta al norte o al sur. Al golpear el electrón con un campo de microondas, los investigadores pueden girar el giro hacia arriba o hacia abajo para asignar al qubit un estado cuántico de 1 o 0.

"Esta es la primera demostración de entrelazamiento de espines de electrones en silicio separados por distancias mucho mayores que los dispositivos que albergan esos espines, "dijo Thaddeus Ladd, científico senior de HRL Laboratories y colaborador del proyecto. "No hace mucho tiempo, había dudas sobre si esto era posible, debido a los requisitos conflictivos de acoplar espines a microondas y evitar los efectos de cargas ruidosas que se mueven en dispositivos basados ​​en silicio. Esta es una importante prueba de posibilidad para los qubits de silicio porque agrega una flexibilidad sustancial sobre cómo conectar esos qubits y cómo colocarlos geométricamente en futuros 'microchips cuánticos' basados ​​en silicio ".

La comunicación entre dos dispositivos qubits distantes basados ​​en silicio se basa en trabajos anteriores del equipo de investigación de Petta. En un artículo de 2010 en la revista Ciencias , el equipo demostró que es posible atrapar electrones individuales en pozos cuánticos. En el diario Naturaleza en 2012, el equipo informó sobre la transferencia de información cuántica de espines de electrones en nanocables a fotones de frecuencia de microondas, y en 2016 en Ciencias demostraron la capacidad de transmitir información desde un qubit de carga basado en silicio a un fotón. Demostraron el intercambio de información en qubits con el vecino más cercano en 2017 en Ciencias . Y el equipo se mostró en 2018 en Naturaleza que un qubit de espín de silicio podría intercambiar información con un fotón.

Jelena Vuckovic, profesor de ingeniería eléctrica y profesor Jensen Huang de liderazgo global en la Universidad de Stanford, que no participó en el estudio, comentó:"La demostración de interacciones de largo alcance entre qubits es crucial para un mayor desarrollo de tecnologías cuánticas como las computadoras cuánticas modulares y las redes cuánticas. Este emocionante resultado del equipo de Jason Petta es un hito importante hacia este objetivo, como demuestra la interacción no local entre dos espines de electrones separados por más de 4 milímetros, mediada por un fotón de microondas. Es más, para construir este circuito cuántico, el equipo empleó silicio y germanio, materiales muy utilizados en la industria de los semiconductores ".