Los qubits son la piedra angular de la tecnología cuántica, y encontrar o construir qubits que sean estables y fácilmente manipulables es uno de los objetivos centrales de la investigación en tecnología cuántica. Los científicos han descubierto que un átomo de erbio (un metal de tierras raras que a veces se utiliza en láseres o para colorear vidrio) puede ser un qubit muy eficaz.
Para producir qubits de erbio, los átomos de erbio se colocan en "materiales anfitriones", donde los átomos de erbio reemplazan algunos de los átomos originales del material. Dos grupos de investigación, uno en la startup cuántica memQ, socio corporativo de Chicago Quantum Exchange, y otro en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU., miembro de CQE, han utilizado diferentes materiales anfitriones para el erbio para avanzar en la tecnología cuántica, lo que demuestra la versatilidad de este tipo de qubit y destacando la importancia de la ciencia de los materiales para la computación cuántica y la comunicación cuántica.
Los dos proyectos abordan desafíos que los investigadores de computación cuántica han estado tratando de resolver:diseñar dispositivos multi-qubit y extender la cantidad de tiempo que los qubits pueden contener información.
"El trabajo que han realizado estos dos esfuerzos realmente resalta la importancia de los materiales para la tecnología cuántica", dijo F. Joseph Heremans, científico de Argonne que participó en ambos proyectos. "El entorno en el que reside el qubit es tan crítico como el propio qubit".
El erbio es popular como qubit porque puede transmitir de manera eficiente información cuántica a través del mismo tipo de fibra óptica que canaliza Internet y las líneas telefónicas; sus electrones también están dispuestos de tal manera que es particularmente resistente al tipo de cambios ambientales que pueden causar que un qubit pierda su información.
Pero el proceso de crecimiento que inserta el erbio en el material huésped dispersa los átomos por todo el material de una manera que los científicos no pueden controlar con precisión, lo que dificulta el diseño de dispositivos multiqubit. En una técnica completamente novedosa, los científicos de memQ han descubierto una solución alternativa:"activar" sólo ciertos átomos de erbio con un láser.
El trabajo está publicado en la revista Applied Physics Letters. .
"En realidad, no estamos colocando el erbio en lugares específicos, el erbio está disperso por todo el material", dijo Sean Sullivan, CTO y cofundador de memQ, graduado de Duality, el acelerador cuántico de startups codirigido por el Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation de la Universidad de Chicago y el CQE junto con los socios fundadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, Argonne y P33.
"Pero al usar un láser, podemos cambiar la estructura cristalina en un área particular, y eso cambia las propiedades del erbio en esa área. Así que estamos seleccionando qué erbio usar como qubits".
La técnica se basa en las propiedades del material huésped, el dióxido de titanio (TiO2 ). Debido a su simetría, una red cristalina de TiO2 Tiene dos configuraciones posibles. Un átomo de erbio insertado en la red se comunicará a una frecuencia diferente dependiendo de la configuración del TiO2 se asienta.
En la técnica de memQ, el erbio se encuentra disperso a lo largo de una película de TiO2. eso es en una configuración. Luego, se enfoca un láser de alta potencia sobre el cristal que rodea ciertos átomos de erbio, distorsionando permanentemente el TiO2. a su otra configuración únicamente en esas ubicaciones. Ahora, los átomos de erbio seleccionados por el láser pueden comunicarse todos a la misma frecuencia, completamente separados de los demás.
El nuevo procedimiento representa un avance significativo en esta área de la tecnología cuántica, conocida como tecnología de estado sólido.
"No se pueden utilizar qubits en 100 ubicaciones aleatorias para construir algo útil", afirmó Manish Singh, director ejecutivo y cofundador de memQ. "Con nuestra plataforma, podemos elegir qué erbio queremos usar en el diseño en el que queremos usarlos, una capacidad que ha eludido la comunidad de estado sólido durante mucho tiempo".
Una medida crucial de la eficacia de un qubit es su tiempo de coherencia:la cantidad de tiempo que puede retener información cuántica. Esto es especialmente importante para los qubits destinados a ser utilizados como memoria cuántica, el equivalente cuántico de la memoria de computadora clásica. Pero la coherencia es muy frágil:un qubit puede perderla al interactuar con algo en su entorno, como el aire o el calor.
Los átomos de erbio pueden retener información cuántica utilizando sus electrones, que tienen una propiedad llamada "espín". Un núcleo, el grupo de protones y neutrones en el centro de un átomo, también tiene "espín", y los espines de los electrones y los núcleos pueden influirse entre sí. Una forma común en la que un qubit de erbio pierde su información cuántica es si su espín electrónico interactúa con un espín nuclear de uno de los átomos que lo rodean.
Por esta razón, el investigador de Argonne, Jiefei Zhang, buscó un material huésped para el erbio que tuviera el espín nuclear más bajo posible, pero que también pudiera fabricarse de manera factible con tecnologías de silicio más tradicionales. Lo encontró con un óxido diferente, esta vez de un elemento de tierras raras:dióxido de cerio, también conocido como ceria (CeO2 ).
El cerio es el elemento de tierras raras más abundante y se utiliza como agente oxidante y catalizador en la química industrial. A diferencia del TiO2 , que tiene múltiples configuraciones estructurales posibles, CeO2 tiene solo uno y es extremadamente simétrico. Debido a esto, los qubits de erbio en CeO2 son más estables.
"Dos qubits de erbio diferentes en ceria verán el mismo entorno cristalino", dijo Zhang. "Y por eso es muy fácil controlarlos simultáneamente porque actuarán de manera muy similar".
En particular, la novedosa técnica de localización desarrollada por memQ no es posible con una estructura cristalina altamente simétrica como el CeO2. —Pero Zhang pudo ver tiempos de coherencia más largos en los qubits de erbio, con potencial para que duren aún más a medida que continúan desarrollando el experimento. El trabajo se puede encontrar en el servidor de preimpresión arXiv .
"Definitivamente hay pros y contras para cada material, y eso es muy común en la cuántica", dijo Zhang.
Más información: Sean E. Sullivan et al, Localización cuasi determinista de emisores de Er en película delgada de TiO2 a través del control de fase cristalina a escala submicrónica, Cartas de Física Aplicada (2023). DOI:10.1063/5.0176610
Jiefei Zhang et al, Coherencia óptica y de espín de Er 3+ en CeO2 epitaxial en silicio, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2309.16785
Información de la revista: arXiv , Cartas de Física Aplicada
Proporcionado por la Universidad de Chicago
