Las computadoras cuánticas, dispositivos informáticos que aprovechan los principios de la mecánica cuántica, podrían superar a la computación clásica en algunas tareas complejas de optimización y procesamiento. En las computadoras cuánticas, las unidades clásicas de información (bits), que pueden tener un valor de 1 o 0, se sustituyen por bits cuánticos o qubits, que pueden estar en una mezcla de 0 y 1 simultáneamente.
Hasta ahora, los qubits se han desarrollado utilizando varios sistemas físicos, desde electrones hasta fotones e iones. En los últimos años, algunos físicos cuánticos han estado experimentando con un nuevo tipo de qubits, conocidos como qubits de espín de Andreev. Estos qubits aprovechan las propiedades de los materiales superconductores y semiconductores para almacenar y manipular información cuántica.
Un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft, dirigido por Marta Pita-Vidal y Jaap J. Wesdorp, demostró recientemente el acoplamiento fuerte y sintonizable entre dos qubits de espín distantes de Andreev. Su artículo, publicado en Nature Physics , podría allanar el camino hacia la realización efectiva de puertas de dos qubits entre espines distantes.
"El trabajo reciente es esencialmente una continuación de nuestro trabajo publicado el año pasado en Nature Physics. ", Christian Kraglund Andersen, autor correspondiente del artículo, dijo a Phys.org. "En este trabajo anterior, estudiamos un nuevo tipo de qubit llamado qubit de espín de Andreev, que también fue demostrado previamente por investigadores de Yale".
Los qubits de espín de Andreev aprovechan simultáneamente las propiedades ventajosas de los qubits superconductores y semiconductores. Estos qubits se crean esencialmente incorporando un punto cuántico en un qubit superconductor.
"Con el nuevo qubit establecido, la siguiente pregunta natural era si podíamos acoplar dos de ellos", dijo Andersen. "Un artículo teórico publicado en 2010 sugirió un método para acoplar dos de estos qubits, y nuestro experimento es el primero en realizar esta propuesta en el mundo real".
Como parte de su estudio, Andersen y sus colegas fabricaron primero un circuito superconductor. Posteriormente, depositaron dos nanocables semiconductores encima de este circuito utilizando una aguja controlada con precisión.
"De la forma en que diseñamos el circuito, los circuitos superconductores y de nanocables combinados crearon dos bucles superconductores", explicó Andersen. "Lo especial de estos bucles es que una parte de cada bucle es un punto cuántico semiconductor. En el punto cuántico podemos atrapar un electrón. Lo interesante es que la corriente que fluye alrededor de los bucles ahora dependerá del espín de el electrón atrapado. Este efecto es interesante, ya que nos permite controlar una supercorriente de miles de millones de pares de Cooper con un solo espín."
La corriente combinada de los dos bucles superconductores acoplados realizada por los investigadores depende en última instancia del espín de ambos puntos cuánticos. Esto también significa que los dos espines están acoplados a través de esta supercorriente. En particular, este acoplamiento también se puede controlar fácilmente, ya sea mediante el campo magnético que recorre los bucles o modulando el voltaje de la puerta.
"Demostramos que realmente podemos acoplar espines en distancias 'largas' usando un superconductor", dijo Andersen. "Normalmente, el acoplamiento espín-espín sólo ocurre cuando dos electrones están muy cerca. Al comparar las plataformas de qubits basadas en semiconductores con aquellas basadas en qubits superconductores, este requisito de proximidad es una de las desventajas arquitectónicas de los semiconductores".
Se sabe que los qubits superconductores son voluminosos y, por lo tanto, ocupan mucho espacio dentro de un dispositivo. El nuevo enfoque introducido por Andersen y sus colegas permite una mayor flexibilidad en el diseño de computadoras cuánticas, al permitir el acoplamiento de qubits a largas distancias y agruparlos más juntos.
Este reciente estudio pronto podría abrir nuevas posibilidades para el desarrollo de dispositivos de computación cuántica de alto rendimiento. En sus próximos estudios, los investigadores planean ampliar el enfoque propuesto a una mayor cantidad de qubits.
"Tenemos muy buenas razones para pensar que nuestro enfoque podría ofrecer importantes avances arquitectónicos para el acoplamiento de múltiples qubits de espín", añadió Andersen. "Sin embargo, también existen desafíos experimentales. Los tiempos de coherencia actuales no son muy buenos y esperamos que el culpable sea el baño de espín nuclear del semiconductor que usamos (InAs). Por lo tanto, nos gustaría pasar a una plataforma más limpia. , por ejemplo a base de germanio, para aumentar los tiempos de coherencia."
