Durante 60 años, las computadoras se han vuelto más pequeñas, más rápidas y más baratas. Pero los ingenieros se están acercando a los límites de cuán pequeños pueden hacer transistores de silicio y qué tan rápido pueden impulsar la electricidad a través de dispositivos para crear unos y ceros digitales.
Esa limitación es la razón por la cual 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 al aislar los electrones giratorios dentro de un nuevo tipo de material semiconductor. Cuando un láser golpea el electrón,revela en qué dirección está girando emitiendo uno o más cuantos, o partículas, de luz. Esos estados de rotación reemplazan los unos y ceros de la informática tradicional.
Vuckovic, uno de los principales investigadores del mundo en el campo, dijo que la computación cuántica es ideal para estudiar sistemas biológicos, hacer criptografía o minería de datos; de hecho, resolver cualquier problema con muchas variables.
"Cuando la gente habla de encontrar una aguja en un pajar, ahí es donde entra la computación cuántica", dijo.
Marina Radulaski, becaria 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 tiene ceros y unos", dijo Radulaski. "Pero cuando el láser golpea el electrón en un sistema cuántico, crea muchos estados de espín 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 decirlo que hacerlo. Algunas de las compañías de tecnología líderes en el mundo están tratando de construir computadoras cuánticas masivas que dependen de materiales súper enfriados a casi cero absoluto, la temperatura teórica a la que los átomosdejaría 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 cuánticos que se convertirían en los componentes básicos de los sistemas futuros.
"Para cumplir 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 es cuánticola informática se convertirá en una herramienta práctica.
En los tres casos, el grupo comenzó con cristales semiconductores, material con una red atómica regular como las vigas de un rascacielos. Al alterar ligeramente esta red, buscaron crear una estructura en la cual las fuerzas atómicas ejercidas por el material pudieran limitar unelectrón giratorio
"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 conocen las propiedades atómicas de los dos materiales.para atrapar un electrón giratorio.
En un artículo reciente en Nature Physics, Kevin Fischer, un estudiante graduado en el laboratorio de Vuckovic, describe cómo se pueden explotar los procesos de electrones láser dentro de un punto cuántico para controlar la entrada y salida de luz. Al enviar más potencia láser.para el 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 no ser útil para la computación de uso generalSin embargo, podría tener aplicaciones para crear redes de comunicaciones a prueba de manipulaciones.
centros de color
En otros dos documentos, 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 consiste en átomos de carbono. Jingyuan Linda Zhang, una estudiante graduada en el laboratorio de Vuckovic, describió cómo un equipo de investigación de 16 miembros reemplazó algunos de esos átomos de carbonocon átomos de silicio. Esta alteración creó centros de color que atraparon efectivamente a los electrones giratorios en la red de diamantes.
Pero al igual que el punto cuántico, la mayoría de los experimentos con centros de color de diamante requieren enfriamiento criogénico. Aunque eso es una mejora sobre otros enfoques que requieren un enfriamiento aún más elaborado, Vuckovic quería hacerlo mejor.
Así que trabajó con otro equipo global para experimentar con un tercer material, el carburo de silicio. Comúnmente conocido como carborundo, el carburo de silicio es un cristal duro y transparente que se usa para fabricar placas de embrague, pastillas de freno y chalecos antibalas. Investigaciones anteriores habían demostrado que el silicioel carburo podría modificarse 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 en ese experimento, quese describe en otro Nano letras papel. Dijo que los resultados netos - un centro de color eficiente, que funciona 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 está en sus inicios y la extracción de electrones no es una hazaña simple. Incluso los investigadores no están seguros de qué método o métodos ganarán.
"Todavía no sabemos qué enfoque es el mejor, por lo que seguimos experimentando", dijo Vuckovic.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería de Stanford . Original escrito por Tom Abate. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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