Durante 60 años, las computadoras se han vuelto más pequeñas, más rápido y más barato. Pero los ingenieros se están acercando al límite de cuán pequeños pueden hacer transistores de silicio y cuán rápido pueden impulsar la electricidad a través de los dispositivos para crear unos y ceros digitales.

Esa limitación es la razón por la que la profesora de ingeniería eléctrica de Stanford, Jelena Vuckovic, está buscando la computación cuántica, que se basa en la luz en lugar de la electricidad. Las computadoras cuánticas funcionan aislando electrones giratorios dentro de un nuevo tipo de material semiconductor. Cuando un láser golpea el electrón, revela en qué dirección gira emitiendo uno o más cuantos, o partículas, de luz. Esos estados de giro reemplazan a los unos y a los ceros de la informática tradicional.

Vuckovic, que es uno de los investigadores más importantes del mundo en el campo, dijo que la computación cuántica es ideal para estudiar sistemas biológicos, haciendo criptografía o minería de datos, de hecho, resolviendo cualquier problema con muchas variables.

"Cuando la gente habla de encontrar una aguja en un pajar, ahí es donde entra la computación cuántica, " ella dijo.

Marina Radulaski, un becario postdoctoral en el laboratorio de Vuckovic, dijo que el potencial de resolución de problemas de las computadoras cuánticas se deriva de la complejidad de las interacciones láser-electrón en el núcleo del concepto.

"Con la electrónica tienes ceros y unos, "Dijo Radulaski." Pero cuando el láser golpea el electrón en un sistema cuántico, crea muchos estados de giro posibles, y ese mayor rango de posibilidades forma la base para una computación más compleja ".

Captura de electrones

Aprovechar la información basada en las interacciones de la luz y los electrones es más fácil de decir que de hacer. Algunas de las empresas de tecnología líderes en el mundo están tratando de construir computadoras cuánticas masivas que se basan en materiales superenfriados hasta casi el cero absoluto. la temperatura teórica a la que los átomos dejarían de moverse.

En sus propios estudios de casi 20 años, Vuckovic se ha centrado en un aspecto del desafío:crear nuevos tipos de chips de computadora cuántica que se convertirían en los componentes básicos de los sistemas futuros.

"Para realizar plenamente la promesa de la computación cuántica tendremos que desarrollar tecnologías que puedan operar en entornos normales, ", dijo." Los materiales que estamos explorando nos acercan a encontrar el procesador cuántico del mañana ".

El desafío para el equipo de Vuckovic es desarrollar materiales que puedan atrapar un solo, electrón aislado. Trabajando con colaboradores en todo el mundo, Recientemente han probado tres enfoques diferentes del problema, uno de los cuales puede operar a temperatura ambiente, un paso crítico si la computación cuántica se va a convertir en una herramienta práctica.

En los tres casos, el grupo comenzó con cristales semiconductores, material con una celosía atómica regular como las vigas de un rascacielos. Al alterar ligeramente esta celosía, buscaban crear una estructura en la que las fuerzas atómicas ejercidas por el material pudieran confinar un electrón en rotación.

"Estamos tratando de desarrollar la unidad de trabajo básica de un chip cuántico, el equivalente del transistor en un chip de silicio, ", Dijo Vuckovic.

Puntos cuánticos

Una forma de crear esta cámara de interacción láser-electrón es a través de una estructura conocida como punto cuántico. Físicamente, el punto cuántico es una pequeña cantidad de arseniuro de indio dentro de un cristal de arseniuro de galio. Se sabe que las propiedades atómicas de los dos materiales atrapan un electrón en rotación.

En un artículo reciente en Nature Physics, Kevin Fischer, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Vuckovic, describe cómo se pueden explotar los procesos láser-electrón dentro de un punto cuántico de este tipo para controlar la entrada y salida de luz. Al enviar más potencia láser al punto cuántico, los investigadores podrían obligarlo a emitir exactamente dos fotones en lugar de uno. Dicen que el punto cuántico tiene ventajas prácticas sobre otras plataformas de computación cuántica líderes, pero aún requiere enfriamiento criogénico. por lo que puede que no sea útil para la informática de propósito general. Sin embargo, podría tener aplicaciones en la creación de redes de comunicaciones a prueba de manipulaciones.

Centros de color

En otros dos artículos, Vuckovic adoptó un enfoque diferente para la captura de electrones, modificando un solo cristal para atrapar la luz en lo que se llama un centro de color.

En un artículo reciente publicado en Nano letras , su equipo se centró en los centros de color en el diamante. En la naturaleza, la red cristalina de un diamante está formada por átomos de carbono. Jingyuan Linda Zhang, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Vuckovic, describió cómo un equipo de investigación de 16 miembros reemplazó algunos de esos átomos de carbono con átomos de silicio. Esta única alteración creó centros de color que atraparon eficazmente los electrones giratorios en la red de diamantes.

Pero como el punto cuántico, la mayoría de los experimentos de centros de color de diamantes requieren enfriamiento criogénico. Aunque eso es una mejora con respecto a otros enfoques que requerían un enfriamiento aún más elaborado, Vuckovic quería hacerlo mejor.

Así que trabajó con otro equipo global para experimentar con un tercer material, carburo de silicio. Comúnmente conocido como carborundo, el carburo de silicio es un duro, cristal transparente utilizado para hacer discos de embrague, pastillas de freno y chalecos antibalas. Investigaciones anteriores habían demostrado que el carburo de silicio se podía modificar para crear centros de color a temperatura ambiente. Pero este potencial aún no se había hecho lo suficientemente eficiente como para producir un chip cuántico.

El equipo de Vuckovic eliminó ciertos átomos de silicio de la red de carburo de silicio de una manera que creó centros de color altamente eficientes. También fabricaron estructuras de nanocables alrededor de los centros de color para mejorar la extracción de fotones. Radulaski fue el primer autor de ese experimento, que se describe en otro artículo de NanoLetters. Dijo que los resultados netos:un centro de color eficiente, operando a temperatura ambiente, en un material familiar para la industria, fueron grandes ventajas.

"Creemos que hemos demostrado un enfoque práctico para hacer un chip cuántico, "Dijo Radulaski.

Pero el campo aún se encuentra en sus inicios y la extracción de electrones no es una hazaña sencilla. Incluso los investigadores no están seguros de qué método o métodos ganarán.

"Aún no sabemos cuál es el mejor enfoque, así que continuamos experimentando, ", Dijo Vuckovic.