Con su capacidad para aprovechar los extraños poderes de la mecánica cuántica, los qubits son la base de tecnologías que podrían cambiar el mundo, como nuevos y poderosos tipos de computadoras o sensores ultraprecisos.
Los qubits abreviatura de bits cuánticos a menudo están hechos de los mismos materiales semiconductores que nuestra electrónica cotidiana. Pero un equipo interdisciplinario de químicos y físicos de la Universidad Northwestern y la Universidad de Chicago ha desarrollado un nuevo método para crear qubits hechos a medida:sintetizando químicamente moléculas que codifican información cuántica en sus estados magnéticos o de "espín".
Este nuevo enfoque ascendente podría conducir en última instancia a sistemas cuánticos que tengan una flexibilidad y un control extraordinarios, lo que ayudará a allanar el camino para la tecnología cuántica de próxima generación.
"La síntesis química permite el control atomístico sobre la estructura del qubit", dijo Danna Freedman, profesora de química en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. "La química molecular crea un nuevo paradigma para la ciencia de la información cuántica". Dirigió la investigación junto con su colegaDavid Awschalom de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago.
Los resultados fueron publicados en la revista ciencia en noviembre.
"Esta es una prueba de concepto de una tecnología cuántica poderosa y escalable", dijo Awschalom, profesor de Ingeniería Molecular de la Familia Liew. "Podemos aprovechar las técnicas de diseño molecular para crear nuevos sistemas a escala atómica para información cuánticala ciencia. Unir estas dos comunidades aumentará el interés y tiene el potencial de mejorar la detección y el cálculo cuántico ".
Awschalom también es director de Q-NEXT, un Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del Departamento de Energía establecido en agosto y dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne. Freedman, junto con otros dos profesores de Northwestern, es miembro del nuevo centro.
Los qubit funcionan aprovechando un fenómeno llamado superposición. Mientras que los bits clásicos utilizados por las computadoras convencionales miden 1 o 0, un qubit puede ser 1 y 0 al mismo tiempo.
El equipo quería encontrar un nuevo enfoque ascendente para desarrollar moléculas cuyos estados de espín se puedan usar como qubits y puedan interactuar fácilmente con el mundo exterior. Para ello, utilizaron moléculas de cromo organometálicas para crear un estado de espín quepodría controlar con luz y microondas.
Al excitar las moléculas con pulsos de láser controlados con precisión y medir la luz emitida, podrían "leer" el estado de giro de las moléculas después de haber sido colocadas en superposición, un requisito clave para usarlas en tecnologías cuánticas.
Al variar solo unos pocos átomos diferentes en estas moléculas a través de la química sintética, también pudieron modificar sus propiedades ópticas y magnéticas, destacando la promesa de qubits moleculares hechos a medida.
"Durante las últimas décadas, se ha demostrado que los espines direccionables ópticamente en semiconductores son extremadamente poderosos para aplicaciones que incluyen la detección cuántica mejorada", dijo Awschalom. "Traducir la física de estos sistemas a una arquitectura molecular abre una poderosa caja de herramientas dequímica para habilitar una funcionalidad novedosa que apenas estamos comenzando a explorar ".
"Nuestros resultados abren una nueva área de la química sintética", dijo Freedman. Demostramos que el control sintético de la simetría y la unión crea qubits que se pueden abordar de la misma manera que los defectos en los semiconductores. Nuestro enfoque ascendente permite ambosfuncionalización de unidades individuales como 'qubits de diseñador' para aplicaciones objetivo y la creación de matrices de estados cuánticos fácilmente controlables, ofreciendo la posibilidad de sistemas cuánticos escalables ".
Una aplicación potencial para estas moléculas podrían ser los sensores cuánticos que están diseñados para apuntar a moléculas específicas. Dichos sensores podrían encontrar células específicas dentro del cuerpo, detectar cuando los alimentos se estropean o incluso detectar sustancias químicas peligrosas.
Este enfoque de abajo hacia arriba también podría ayudar a integrar las tecnologías cuánticas con las tecnologías clásicas existentes.
"Algunos de los desafíos a los que se enfrentan las tecnologías cuánticas podrían superarse con este enfoque ascendente muy diferente", dijo Sam Bayliss, investigador postdoctoral en el grupo Awschalom y coautor del artículo. "Uso de sistemas molecularesen diodos emisores de luz fue un cambio transformador; tal vez algo similar podría suceder con qubits moleculares ".
Daniel Laorenza, un estudiante graduado en el laboratorio de Freedman y co-primer autor, ve un tremendo potencial para la innovación química en este espacio. "Este control químicamente específico sobre el entorno alrededor del qubit proporciona una característica valiosa para integrar qubits moleculares direccionables ópticamente en unamplia gama de entornos ", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Northwestern . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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