En un paso que acerca las computadoras cuánticas basadas en silicio a la realidad, los investigadores de la Universidad de Princeton han construido un dispositivo en el que un solo electrón puede pasar su información cuántica a una partícula de luz. La partícula de luz, o fotón, puede entoncesactuar como un mensajero para llevar la información a otros electrones, creando conexiones que forman los circuitos de una computadora cuántica.
La investigación, publicada en la revista ciencia y realizado en los Laboratorios Princeton y HRL en Malibu, California, representa un esfuerzo de más de cinco años para construir una capacidad robusta para que un electrón hable con un fotón, dijo Jason Petta, profesor de física de Princeton.
"Al igual que en las interacciones humanas, para tener una buena comunicación, es necesario que se resuelvan varias cosas; ayuda hablar el mismo idioma, etc.", dijo Petta. "Somos capaces de llevar la energía del estado electrónicoen resonancia con la partícula de luz, para que los dos puedan hablar entre sí "
El descubrimiento ayudará a los investigadores a usar la luz para unir electrones individuales, que actúan como bits, o unidades más pequeñas de datos, en una computadora cuántica. Las computadoras cuánticas son dispositivos avanzados que, cuando se realicen, podrán realizar cálculos avanzados utilizandopartículas diminutas como los electrones, que siguen reglas cuánticas en lugar de las leyes físicas del mundo cotidiano.
Cada bit en una computadora cotidiana puede tener un valor de 0 o 1. Los bits cuánticos, conocidos como qubits, pueden estar en un estado de 0, 1 o ambos, 0 y 1 simultáneamente. Esta superposición,como se sabe, permite que las computadoras cuánticas aborden preguntas complejas que las computadoras de hoy no pueden resolver.
Las computadoras cuánticas simples ya se han hecho usando iones atrapados y superconductores, pero los desafíos técnicos han frenado el desarrollo de dispositivos cuánticos basados en silicio. El silicio es un material muy atractivo porque es económico y ya se usa ampliamente en los teléfonos inteligentes y las computadoras actuales.
Los investigadores atraparon tanto un electrón como un fotón en el dispositivo, luego ajustaron la energía del electrón de tal manera que la información cuántica pudiera transferirse al fotón. Este acoplamiento permite al fotón transportar la información de un qubit a otroubicado hasta a un centímetro de distancia.
La información cuántica es extremadamente frágil; puede perderse por completo debido a la más mínima perturbación del medio ambiente. Los fotones son más robustos contra la interrupción y pueden transportar información cuántica no solo de qubit a qubit en un circuito de computadora cuántica, sino también entre cuánticoschips a través de cables.
Sin embargo, para que estos dos tipos muy diferentes de partículas se comuniquen entre sí, los investigadores tuvieron que construir un dispositivo que proporcionara el entorno adecuado. Primero, Peter Deelman de HRL Laboratories, un laboratorio corporativo de investigación y desarrollo propiedad del BoeingCompany y General Motors, fabricaron el chip semiconductor a partir de capas de silicio y silicio-germanio. Esta estructura atrapó una sola capa de electrones debajo de la superficie del chip. A continuación, los investigadores de Princeton colocaron cables diminutos, cada uno solo una fracción del ancho deun cabello humano, en la parte superior del dispositivo. Estos cables de tamaño nanométrico permitieron a los investigadores entregar voltajes que crearon un paisaje de energía capaz de atrapar un solo electrón, confinándolo en una región del silicio llamada punto cuántico doble.
Los investigadores utilizaron esos mismos cables para ajustar el nivel de energía del electrón atrapado para que coincida con el del fotón, que está atrapado en una cavidad superconductora que se fabrica en la parte superior de la oblea de silicio.
Antes de este descubrimiento, los qubits de semiconductores solo se podían acoplar a qubits vecinos. Al usar qubits ligeros para acoplar, puede ser factible pasar información entre qubits en los extremos opuestos de un chip.
La información cuántica del electrón consiste en nada más que la ubicación del electrón en uno de los dos bolsillos de energía en el doble punto cuántico. El electrón puede ocupar uno u otro bolsillo, o ambos simultáneamente. Al controlar los voltajes aplicados al dispositivo, los investigadores pueden controlar qué bolsillo ocupa el electrón.
"Ahora tenemos la capacidad de transmitir el estado cuántico a un fotón confinado en la cavidad", dijo Xiao Mi, un estudiante graduado en el Departamento de Física de Princeton y primer autor del artículo. "Esto nunca se había hecho antes enun dispositivo semiconductor porque el estado cuántico se perdió antes de poder transferir su información "
El éxito del dispositivo se debe a un nuevo diseño de circuito que acerca los cables al qubit y reduce la interferencia de otras fuentes de radiación electromagnética. Para reducir este ruido, los investigadores colocaron filtros que eliminan las señales extrañas de los cables queconducen al dispositivo. Los cables metálicos también protegen el qubit. Como resultado, los qubits son de 100 a 1000 veces menos ruidosos que los utilizados en experimentos anteriores.
Eventualmente, los investigadores planean extender el dispositivo para que funcione con una propiedad intrínseca del electrón conocida como su espín. "A la larga, queremos sistemas donde el espín y la carga se unan para formar un qubit de espín que pueda controlarse eléctricamente,"Dijo Petta." Hemos demostrado que podemos acoplar coherentemente un electrón a la luz, y ese es un paso importante para acoplar el giro a la luz ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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