Científicos de todo el mundo están desarrollando nuevo hardware para computadoras cuánticas, un nuevo tipo de dispositivo que podría acelerar el diseño de fármacos, modelamiento financiero, y predicción meteorológica. Estas computadoras se basan en qubits, bits de materia que pueden representar alguna combinación de 1 y 0 simultáneamente. El problema es que los qubits son volubles, degradándose en bits regulares cuando interfieren las interacciones con la materia circundante. Pero una nueva investigación en el MIT sugiere una forma de proteger sus estados, utilizando un fenómeno llamado localización de muchos cuerpos (MBL).

MBL es una fase peculiar de la materia, propuesto hace décadas, que no es sólido ni líquido. Típicamente, la materia llega al equilibrio térmico con su entorno. Por eso la sopa se enfría y los cubitos de hielo se derriten. Pero en MBL, un objeto que consta de muchos cuerpos que interactúan fuertemente, como los átomos, nunca alcanza tal equilibrio. Calor, como el sonido consta de vibraciones atómicas colectivas y puede viajar en ondas; un objeto siempre tiene tales ondas de calor internamente. Pero cuando hay suficiente desorden y suficiente interacción en la forma en que se organizan sus átomos, las olas pueden quedar atrapadas, impidiendo así que el objeto alcance el equilibrio.

MBL se había demostrado en "celosías ópticas, "Disposiciones de átomos a temperaturas muy frías mantenidas en su lugar mediante láseres. Pero tales configuraciones no son prácticas. Se podría decir que MBL también se había mostrado en sistemas sólidos, pero solo con dinámicas temporales muy lentas, en el que la existencia de la fase es difícil de probar porque se podría alcanzar el equilibrio si los investigadores pudieran esperar lo suficiente. La investigación del MIT encontró firmas de MBL en un sistema de "estado sólido", uno hecho de semiconductores, que de otro modo habría alcanzado el equilibrio en el tiempo que fue observado.

"Podría abrir un nuevo capítulo en el estudio de la dinámica cuántica, "dice Rahul Nandkishore, un físico de la Universidad de Colorado en Boulder, que no estuvo involucrado en el trabajo.

Mingda Li, el profesor adjunto Norman C Rasmussen de Ciencias e Ingeniería Nucleares en el MIT, dirigió el nuevo estudio, publicado en un número reciente de Nano letras . Los investigadores construyeron un sistema que contiene capas semiconductoras alternas, creando una lasaña microscópica:arseniuro de aluminio, seguido de arseniuro de galio, etcétera, para 600 capas, cada 3 nanómetros (millonésimas de milímetro) de espesor. Entre las capas se dispersaron "nanodots, "Partículas de 2 nanómetros de arseniuro de erbio, para crear desorden. La lasaña o "superrejilla, "vino en tres recetas:una sin nanodots, uno en el que los nanopuntos cubrían el 8 por ciento del área de cada capa, y uno en el que cubrieron el 25 por ciento.

Según Li, el equipo utilizó capas de material, en lugar de un material a granel, para simplificar el sistema de modo que la disipación de calor a través de los planos fuera esencialmente unidimensional. Y usaron nanodots en lugar de meras impurezas químicas, para aumentar el desorden.

Para medir si estos sistemas desordenados aún permanecen en equilibrio, los investigadores los midieron con rayos X. Usando la fuente de fotones avanzada en el laboratorio nacional de Argonne, dispararon rayos de radiación a una energía de más de 20, 000 electronvoltios, y para resolver la diferencia de energía entre los rayos X entrantes y después de su reflejo en la superficie de la muestra, con una resolución de energía inferior a una milésima de electrón voltio. Para evitar penetrar en la superrejilla y golpear el sustrato subyacente, lo dispararon en un ángulo de solo medio grado del paralelo.

Así como la luz se puede medir como ondas o partículas, también puede calentar. La vibración atómica colectiva para el calor en forma de unidad portadora de calor se llama fonón. Los rayos X interactúan con estos fonones, y midiendo cómo se reflejan los rayos X en la muestra, los experimentadores pueden determinar si está en equilibrio.

Los investigadores encontraron que cuando la superrejilla estaba fría, 30 kelvin, unos -400 grados Fahrenheit, y contenía nanopuntos, sus fonones a determinadas frecuencias que quedaban no estaban en equilibrio.

Queda más trabajo para demostrar de manera concluyente que se ha logrado MBL, pero "esta nueva fase cuántica puede abrir una plataforma completamente nueva para explorar los fenómenos cuánticos, "Li dice, "con muchas aplicaciones potenciales, desde el almacenamiento térmico hasta la computación cuántica ".

Para crear qubits, algunas computadoras cuánticas emplean partículas de materia llamadas puntos cuánticos. Li dice que los puntos cuánticos similares a los nanodots de Li podrían actuar como qubits. Los imanes pueden leer o escribir sus estados cuánticos, mientras que la localización de muchos cuerpos los mantendría aislados del calor y otros factores ambientales.

En términos de almacenamiento térmico, tal superrejilla podría entrar y salir de una fase MBL controlando magnéticamente los nanodots. Podría aislar las partes de la computadora del calor en un momento, luego permita que las piezas dispersen el calor cuando no causen daños. O podría permitir que el calor se acumule y se aproveche más tarde para generar electricidad.

Convenientemente, se pueden construir superredes con nanodots utilizando técnicas tradicionales para fabricar semiconductores, junto con otros elementos de chips de computadora. Según Li, "Es un espacio de diseño mucho más grande que con el dopaje químico, y existen numerosas aplicaciones ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.