Con su capacidad para aprovechar los extraños poderes de la mecánica cuántica, Los qubits son la base de tecnologías que potencialmente cambiarán el mundo, como nuevos y potentes tipos de computadoras o sensores ultraprecisos.

Los qubits (abreviatura de bits cuánticos) a menudo están hechos de los mismos materiales semiconductores que nuestra electrónica cotidiana. Pero un equipo interdisciplinario de físicos y químicos de la Universidad de Chicago y la Universidad Northwestern ha desarrollado un nuevo método para crear qubits hechos a medida:sintetizando químicamente moléculas que codifican información cuántica en sus magnéticos, o "girar, "estados.

Este nuevo enfoque de abajo hacia arriba podría conducir en última instancia a sistemas cuánticos que tengan una flexibilidad y un control extraordinarios, ayudando a allanar el camino para la tecnología cuántica de próxima generación.

"Esta es una prueba de concepto de una tecnología cuántica potente y escalable, "dijo David Awschalom, el profesor de la familia Liew en Ingeniería Molecular en la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker (PME), quien dirigió la investigación junto con su colega Danna Freedman, profesor de química en la Northwestern University. "Podemos aprovechar las técnicas de diseño molecular para crear nuevos sistemas a escala atómica para la ciencia de la información cuántica. Unir estas dos comunidades ampliará el interés y tiene el potencial de mejorar la detección y la computación cuántica".

Los resultados aparecen en la edición del 12 de noviembre de la revista Ciencias .

Los qubits funcionan aprovechando un fenómeno llamado superposición. Mientras que los bits clásicos utilizados por las computadoras convencionales miden 1 o 0, un qubit puede ser 1 y 0 al mismo tiempo.

El equipo quería encontrar un nuevo enfoque de abajo hacia arriba para desarrollar moléculas cuyos estados de giro se puedan usar como qubits, y se puede conectar fácilmente con el mundo exterior. Para hacerlo utilizaron moléculas de cromo organometálicas para crear un estado de giro que pudieran controlar con luz y microondas.

Al excitar las moléculas con pulsos láser controlados con precisión y medir la luz emitida, podían "leer" el estado de giro de las moléculas después de haber sido colocadas en una superposición, un requisito clave para usarlas en tecnologías cuánticas

Al variar solo unos pocos átomos diferentes en estas moléculas a través de la química sintética, también pudieron modificar sus propiedades ópticas y magnéticas, destacando la promesa de qubits moleculares hechos a medida.

"Durante las últimas décadas, Se ha demostrado que los espines ópticamente direccionables en semiconductores son extremadamente poderosos para aplicaciones que incluyen detección cuántica mejorada, "dijo Awschalom, quien también es director de Chicago Quantum Exchange y director de Q-NEXT, un Centro Nacional de Investigación en Ciencias de la Información Cuántica del Departamento de Energía dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne. "Traducir la física de estos sistemas a una arquitectura molecular abre una poderosa caja de herramientas de química sintética para permitir una funcionalidad novedosa que apenas estamos comenzando a explorar".

"Nuestros resultados abren una nueva área de la química sintética. Demostramos que el control sintético de la simetría y la unión crea qubits que se pueden abordar de la misma manera que los defectos en los semiconductores, ", Dijo Freedman." Nuestro enfoque de abajo hacia arriba permite tanto la funcionalización de unidades individuales como 'qubits de diseñador' para aplicaciones de destino y la creación de matrices de estados cuánticos fácilmente controlables, ofreciendo la posibilidad de sistemas cuánticos escalables ".

Una aplicación potencial para estas moléculas podrían ser los sensores cuánticos que están diseñados para apuntar a moléculas específicas. Dichos sensores podrían encontrar células específicas dentro del cuerpo, detectar cuando la comida se echa a perder, o incluso detectar productos químicos peligrosos.

Este enfoque de abajo hacia arriba también podría ayudar a integrar las tecnologías cuánticas con las tecnologías clásicas existentes.

"Algunos de los desafíos a los que se enfrentan las tecnologías cuánticas podrían superarse con este enfoque ascendente muy diferente, "dijo Sam Bayliss, becario postdoctoral en el Grupo Awschalom de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago y co-primer autor del artículo. "El uso de sistemas moleculares en diodos emisores de luz fue un cambio transformador; quizás podría suceder algo similar con los qubits moleculares".

Daniel Laorenza, estudiante de posgrado en Northwestern University y co-primer autor, ve un enorme potencial para la innovación química en este espacio. "Este control químicamente específico sobre el entorno alrededor del qubit proporciona una característica valiosa para integrar qubits moleculares direccionables ópticamente en una amplia gama de entornos, " él dijo.