En una investigación que podría impulsar el trabajo hacia la Internet cuántica, investigadores del MIT y la Universidad de Cambridge han construido y probado un dispositivo exquisitamente pequeño que podría permitir el flujo rápido y eficiente de información cuántica a grandes distancias.
La clave del dispositivo es un "microchiplet" hecho de diamante en el que algunos de los átomos de carbono del diamante se reemplazan con átomos de estaño. Los experimentos del equipo indican que el dispositivo, que consiste en guías de ondas para que la luz transporte información cuántica, resuelve una paradoja que ha bloqueado la llegada de redes cuánticas grandes y escalables.
La información cuántica en forma de bits cuánticos, o qubits, se ve fácilmente alterada por el ruido ambiental, como los campos magnéticos, que destruyen la información. Entonces, por un lado, es deseable tener qubits que no interactúen fuertemente con el medio ambiente. Por otro lado, sin embargo, esos qubits necesitan interactuar fuertemente con la luz, o los fotones, clave para transportar la información a distancia.
Los investigadores del MIT y Cambridge permiten ambas cosas mediante la cointegración de dos tipos diferentes de qubits que funcionan en conjunto para guardar y transmitir información. Además, el equipo informa una alta eficiencia en la transferencia de esa información.
"Este es un paso crítico ya que demuestra la viabilidad de integrar qubits electrónicos y nucleares en un microchiplet. Esta integración aborda la necesidad de preservar la información cuántica a largas distancias mientras se mantiene una fuerte interacción con los fotones. Esto fue posible gracias a la combinación de las fortalezas de los equipos de la Universidad de Cambridge y del MIT", afirma Dirk Englund, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT y líder del equipo del MIT. Englund también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT.
El profesor Mete Atatüre, líder del equipo de Cambridge, afirma:"Los resultados son el resultado de un fuerte esfuerzo de colaboración entre los dos equipos de investigación a lo largo de los años. Es fantástico ver la combinación de predicción teórica, fabricación de dispositivos y la implementación de Nuevos controles ópticos cuánticos, todo en un solo trabajo."
El trabajo fue publicado en Nature Photonics. .
Se puede considerar un bit de computadora como cualquier cosa con dos estados físicos diferentes, como "encendido" y "apagado", para representar cero y uno. En el extraño y ultrapequeño mundo de la mecánica cuántica, un qubit "tiene la propiedad adicional de que, en lugar de estar en sólo uno de estos dos estados, puede estar en una superposición de los dos estados. Por lo tanto, puede estar en ambos estados". al mismo tiempo", dice Martínez. Múltiples qubits entrelazados o correlacionados entre sí pueden compartir mucha más información que los bits asociados con la informática convencional. De ahí el poder potencial de las computadoras cuánticas.
Hay muchos tipos de qubits, pero dos tipos comunes se basan en el espín, o la rotación de un electrón o un núcleo (de izquierda a derecha o de derecha a izquierda). El nuevo dispositivo incluye qubits electrónicos y nucleares.
Un electrón giratorio, o qubit electrónico, interactúa muy bien con el medio ambiente, mientras que el núcleo giratorio de un átomo, o qubit nuclear, no lo es. "Hemos combinado un qubit que es bien conocido por interactuar fácilmente con la luz con un qubit que es bien conocido por estar muy aislado y, por lo tanto, preservar la información durante mucho tiempo. Al combinar estos dos, creemos que podemos obtener lo mejor de ambos mundos", afirma Martínez.
¿Como funciona? "El electrón [qubit electrónico] que zumba dentro del diamante puede quedarse atascado en el defecto del estaño", dice Harris. Y este qubit electrónico puede luego transferir su información al núcleo de estaño que gira, el qubit nuclear.
"La analogía que me gusta usar es la del sistema solar", continúa Harris. "Tienes el sol en el medio, ese es el núcleo de estaño, y luego tienes la Tierra girando a su alrededor, y ese es el electrón. Podemos optar por almacenar la información en la dirección de la rotación de la Tierra, ese es nuestro qubit electrónico. O podemos almacenar la información en la dirección del sol, que gira alrededor de su propio eje. Ese es el qubit nuclear."
Entonces, en general, la luz transporta información a través de una fibra óptica hasta el nuevo dispositivo, que incluye una pila de varias guías de ondas de diamante diminutas, cada una de las cuales es aproximadamente 1.000 veces más pequeña que un cabello humano. Entonces, varios dispositivos podrían actuar como nodos que controlen el flujo de información en la Internet cuántica.
El trabajo descrito en Nature Photonics Implica experimentos con un dispositivo. "Sin embargo, eventualmente podría haber cientos o miles de estos en un microchip", dice Martínez. En un estudio de 2020 publicado en Nature , los investigadores del MIT, incluidos varios de los autores actuales, describieron su visión de la arquitectura que permitirá la integración a gran escala de los dispositivos.
Harris señala que su trabajo teórico había predicho una fuerte interacción entre el núcleo de estaño y el qubit electrónico entrante. "Era diez veces más grande de lo que esperábamos, así que pensé que el cálculo probablemente estaba equivocado. Luego vino el equipo de Cambridge y lo midió, y fue genial ver que el experimento confirmaba la predicción". P>
Martínez coincide:"La teoría y los experimentos finalmente nos convencieron de que [estas interacciones] realmente estaban ocurriendo".
Más información: Ryan A. Parker et al, Una interfaz nanofotónica de diamante con un registro de espín electronuclear determinista ópticamente accesible, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01332-8
Información de la revista: Fotónica de la naturaleza , Naturaleza
Proporcionado por el Laboratorio de Investigación de Materiales, Instituto de Tecnología de Massachusetts
