Nuevos hallazgos desacreditan la creencia previa de que los qubits de estado sólido deben estar súper diluidos en un material ultralimpio para lograr una vida útil prolongada. En su lugar, si se meten muchos iones de tierras raras en un cristal, algunos formarán pares que actuarán como qubits altamente coherentes, según muestra un artículo publicado en Nature Physics. .
¿Líneas limpias y minimalismo, o shabby chic vintage? Resulta que las mismas tendencias que ocupan el mundo del diseño de interiores son esenciales cuando se trata de diseñar los componentes básicos de las computadoras cuánticas.
Cómo crear qubits que retengan su información cuántica el tiempo suficiente para ser útiles es una de las principales barreras para la computación cuántica práctica. Está ampliamente aceptado que la clave para los qubits con vidas largas, o "coherencias", es la limpieza. Los qubits pierden información cuántica a través de un proceso conocido como decoherencia cuando comienzan a interactuar con su entorno.
Así que, según la sabiduría convencional, manténgalos alejados unos de otros y de otras influencias perturbadoras, y con suerte sobrevivirán un poco más.
En la práctica, un enfoque tan "minimalista" del diseño de qubits resulta problemático. Encontrar materiales ultrapuros adecuados no es fácil. Además, diluir los qubits al extremo dificulta la ampliación de cualquier tecnología resultante. Ahora, resultados sorprendentes de investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI, ETH Zurich y EPFL muestran cómo pueden existir qubits con vidas prolongadas en un entorno desordenado.
"A largo plazo, cómo incorporarlo a un chip es una cuestión que se debate universalmente para todos los tipos de qubits. En lugar de diluirlos cada vez más, hemos demostrado una nueva vía mediante la cual podemos acercar más los qubits", afirma. Gabriel Aeppli, jefe de la División de Ciencia de Fotones de PSI y profesor de ETH Zürich y EPFL, quien dirigió el estudio.
Los investigadores crearon qubits de estado sólido a partir del terbio, un metal de tierras raras, dopado con cristales de fluoruro de itrio y litio. Demostraron que dentro de un cristal repleto de iones de tierras raras había gemas qubit con coherencias mucho más largas de lo que normalmente se esperaría en un sistema tan denso.
"Para una densidad determinada de qubits, demostramos que es una estrategia mucho más efectiva arrojar los iones de tierras raras y recoger las gemas de la basura en lugar de intentar separar los iones individuales entre sí mediante dilución", explica Markus Müller. , cuyas explicaciones teóricas fueron esenciales para comprender las observaciones engañosas.
Al igual que los bits clásicos que utilizan 0 o 1 para almacenar y procesar información, los qubits también utilizan sistemas que pueden existir en dos estados, aunque con posibilidad de superposiciones. Cuando los qubits se crean a partir de iones de tierras raras, normalmente se utiliza una propiedad de los iones individuales, como el espín nuclear, que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo, como este sistema de dos estados.
El equipo podría tener éxito con un enfoque radicalmente diferente porque, en lugar de estar formados por iones individuales, sus qubits se forman a partir de pares de iones que interactúan fuertemente. En lugar de utilizar el espín nuclear de iones individuales, los pares forman qubits basados en superposiciones de diferentes estados de capas de electrones.
Dentro de la matriz cristalina, sólo unos pocos iones de terbio forman pares. "Si se echa mucho terbio en el cristal, por casualidad aparecen pares de iones:nuestros qubits. Estos son relativamente raros, por lo que los qubits en sí están bastante diluidos", explica Adrian Beckert, autor principal del estudio. P>
Entonces, ¿por qué estos qubits no se ven perturbados por su entorno desordenado? Resulta que estas gemas, por sus propiedades físicas, están protegidas de la basura. Debido a que tienen una energía característica diferente con la que operan, no pueden intercambiar energía con los iones de terbio individuales; en esencia, están ciegos a ellos.
"Si se excita un solo terbio, este puede saltar fácilmente a otro terbio, provocando decoherencia", dice Müller. "Sin embargo, si la excitación es en un par de terbios, su estado es entrelazado, por lo que vive con una energía diferente y no puede saltar a los terbios individuales. Tendría que encontrar otro par, pero no puede porque el siguiente uno está muy lejos."
Los investigadores tropezaron con el fenómeno de los pares de qubits al investigar fluoruro de litio-itrio dopado con terbio mediante espectroscopía de microondas. El equipo también utiliza la luz para manipular y medir los efectos cuánticos en los materiales, y se espera que el mismo tipo de qubits funcionen a frecuencias más altas de la luz láser óptica. Esto es interesante porque los metales de tierras raras poseen transiciones ópticas que facilitan la entrada de luz.
"En última instancia, nuestro objetivo es utilizar también la luz del láser de electrones libres de rayos X SwissFEL o la fuente de luz suiza SLS para presenciar el procesamiento de información cuántica", afirma Aeppli. Este enfoque podría utilizarse para leer conjuntos completos de qubits con luz de rayos X.
Mientras tanto, el terbio es una opción atractiva como dopante:puede excitarse fácilmente con frecuencias en el rango de las microondas utilizadas para las telecomunicaciones. Fue durante las pruebas de eco de espín (una técnica bien establecida para medir los tiempos de coherencia) que el equipo notó picos extraños correspondientes a coherencias mucho más largas que las de los iones individuales.
"Había algo inesperado al acecho", recuerda Beckert. Con más experimentos de espectroscopía de microondas y un cuidadoso análisis teórico, podrían separarlos como estados de pares.
A medida que los investigadores profundizaron en la naturaleza de estos qubits, pudieron comprender las diferentes formas en que estaban protegidos de su entorno y buscar optimizarlos. Aunque las excitaciones de los pares de terbio podrían estar bien protegidas de la influencia de otros iones de terbio, los espines nucleares de otros átomos del material aún podrían interactuar con los qubits y hacer que se decoherieran.
Para proteger más los qubits de su entorno, los investigadores aplicaron un campo magnético al material que fue sintonizado para anular exactamente el efecto del espín nuclear del terbio en pares. Esto resultó en estados de qubit esencialmente no magnéticos, que eran sólo mínimamente sensibles al ruido de los espines nucleares de los átomos "basura" circundantes.
Una vez que se incluyó este nivel de protección, los pares de qubits tuvieron una vida útil hasta cien veces mayor que la de los iones individuales en el mismo material.
"Si nos hubiéramos propuesto buscar qubits basados en pares de terbio, no habríamos elegido un material con tantos espines nucleares", afirma Aeppli. "Lo que esto demuestra es lo poderoso que puede ser este enfoque. Con el material adecuado, la coherencia podría ser aún mayor". Armados con el conocimiento de este fenómeno, optimizar la matriz es lo que harán ahora los investigadores.
Más información: Aparición de sistemas de dos niveles altamente coherentes en una red cuántica densa y ruidosa, Física de la Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02321-y
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por el Instituto Paul Scherrer
