La computación cuántica, un campo que se basa en los principios de la mecánica cuántica para calcular los resultados, tiene el potencial de realizar tareas demasiado complejas para las computadoras tradicionales y hacerlo a altas velocidades, lo que la convierte en la nueva frontera de la ciencia y la ingeniería. Para llegar al punto en que las computadoras cuánticas puedan alcanzar su potencial de rendimiento esperado, se necesita el desarrollo de procesadores cuánticos y memorias cuánticas a gran escala. El control preciso de los qubits, o bits cuánticos, los componentes básicos de las computadoras cuánticas, es fundamental para hacer esto, pero los métodos para controlar los qubits tienen limitaciones para el cableado masivo de alta densidad con alta precisión.

Ahora, investigadores de la Universidad Nacional de Yokohama en Japón han encontrado una manera de controlar con precisión los qubits sin las limitaciones anteriores. Sus resultados fueron publicados en Nature Photonics el 26 de julio de 2022.

"Las microondas generalmente se usan para el control cuántico individual, pero se requiere el cableado individual de las líneas de microondas", dijo el autor correspondiente del artículo, Hideo Kosaka, director del Centro de Investigación de Información Cuántica en el Instituto de Ciencias Avanzadas y profesor en el Departamento de Física en el Posgrado. Escuela de Ingeniería de la Universidad Nacional de Yokohama. "Por otro lado, es posible manipular qubits localmente, pero no con precisión, con luz".

Kosaka y los otros investigadores pudieron demostrar el control de los cúbits mediante la manipulación del espín del electrón a través de una combinación de manipulación de microondas y desplazamiento óptico local de las frecuencias de transición de átomos y moléculas, un proceso conocido como cambio Stark, utilizando un centro de vacante de nitrógeno:un tipo de defecto puntual en un diamante. En otras palabras, pudieron combinar métodos ópticos basados ​​en la luz de los láseres con microondas para superar las limitaciones anteriores.

Los investigadores también pudieron demostrar que este control del espín del electrón podría, a su vez, controlar el espín nuclear del átomo de nitrógeno en el centro vacante de nitrógeno, así como la interacción entre el espín del electrón y el nuclear. Esto es significativo porque permite un control preciso de los qubits sin el problema del cableado.

"La irradiación simultánea de luz y microondas permite el control individual y preciso de qubits sin cableado individual", dijo Kosaka. "Esto ha allanado el camino para los procesadores cuánticos y las memorias cuánticas a gran escala, que son esenciales para el desarrollo de computadoras cuánticas a gran escala".

Además, los investigadores pudieron generar un entrelazamiento cuántico, un estado en el que las partículas existen en el mismo estado, incluso si están físicamente separadas, entre el electrón y el espín nuclear para preparar un estado de fotón para transferir al estado de espín nuclear. Esto permite la conectividad interqubit con el fotón y, en última instancia, requerirá menos potencia informática y permitirá la transferencia de información a procesadores cuánticos y memorias cuánticas mediante el principio de teletransportación cuántica.

El nuevo método cumple con todos los criterios de DiVincenzo, que son los criterios necesarios para que funcione una computadora cuántica, e incluyen escalabilidad, inicialización, medición, puerta universal y coherencia larga. También se puede aplicar más allá del cambio de Stark y a otros esquemas de campo magnético para manipular individualmente los qubits en esos escenarios, y puede proteger contra tipos comunes de errores informáticos, como errores de puerta o ruido ambiental.

"La razón de la fidelidad mejorada de nuestro esquema sobre los esquemas totalmente ópticos es el uso de un grado de libertad excesivo que es más fácil de controlar", dijo Kosaka, refiriéndose a la cantidad de variables que se pueden controlar con este método.

Según los investigadores, este avance es un paso hacia la computación cuántica a mayor escala.

"Al mejorar aún más la resolución de la operación cuántica individual y la operación de entrelazamiento, se pueden realizar computadoras cuánticas de diamante integradas a gran escala, almacenamiento cuántico y sensores cuánticos", dijo Kosaka. "También mejorará la capacidad de transmisión de datos de la red de repetidores cuánticos para la comunicación cuántica de larga distancia y la red informática cuántica distribuida o Internet cuántica".

Los otros autores del artículo fueron Yuhei Sekiguchi del Instituto de Ciencias Avanzadas de la Universidad Nacional de Yokohama, y ​​Kazuki Matsushita y Yoshiki Kawasaki, ambos del Departamento de Física de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad Nacional de Yokohama. + Explora más

Memoria de computadora cuántica tolerante a fallas en diamante