Un dispositivo de computación cuántica basado en silicio podría estar más cerca que nunca debido a un nuevo dispositivo experimental que demuestra el potencial de usar la luz como un mensajero para conectar bits cuánticos de información, conocidos como qubits, que no son inmediatamente adyacentes a cada unoLa hazaña es un paso hacia la fabricación de dispositivos de computación cuántica a partir de silicio, el mismo material utilizado en los teléfonos inteligentes y las computadoras actuales.
La investigación, publicada en la revista Naturaleza , fue dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton en colaboración con colegas de la Universidad de Konstanz en Alemania y el Joint Quantum Institute, que es una asociación de la Universidad de Maryland y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.
El equipo creó qubits a partir de electrones individuales atrapados en cámaras de silicio conocidas como puntos cuánticos dobles. Al aplicar un campo magnético, demostraron que podían transferir información cuántica, codificada en la propiedad electrónica conocida como espín, a una partícula de luz o fotón., abriendo la posibilidad de transmitir la información cuántica.
"Este es un año decisivo para los qubits de espín de silicio", dijo Jason Petta, profesor de física en Princeton. "Este trabajo expande nuestros esfuerzos en una dirección completamente nueva, porque te quita la vida en un paisaje bidimensional,donde solo puedes hacer el acoplamiento del vecino más cercano, y en un mundo de conectividad total ", dijo." Eso crea flexibilidad en la forma en que hacemos nuestros dispositivos ".
Los dispositivos cuánticos ofrecen posibilidades computacionales que no son posibles con las computadoras de hoy en día, como factorizar grandes números y simular reacciones químicas. A diferencia de las computadoras convencionales, los dispositivos funcionan de acuerdo con las leyes de mecánica cuántica que rigen estructuras muy pequeñas, como átomos individuales y sub-átomos.partículas atómicas. Las principales empresas de tecnología ya están construyendo computadoras cuánticas basadas en qubits superconductores y otros enfoques.
"Este resultado proporciona un camino para escalar a sistemas más complejos siguiendo la receta de la industria de semiconductores", dijo Guido Burkard, profesor de física en la Universidad de Konstanz, quien proporcionó orientación sobre aspectos teóricos en colaboración con Monica Benito, uninvestigador postdoctoral: "Esa es la visión, y este es un paso muy importante".
Jacob Taylor, un miembro del equipo y miembro del Joint Quantum Institute, comparó la luz con un cable que puede conectar qubits de espín. "Si quieres hacer un dispositivo de computación cuántica usando estos electrones atrapados, ¿cómo envías?información en el chip? Necesita el equivalente de computación cuántica de un cable "
Los qubits de espín de silicio son más resistentes que las tecnologías qubit de la competencia a las perturbaciones externas como el calor y las vibraciones, que interrumpen los estados cuánticos inherentemente frágiles. El simple acto de leer los resultados de un cálculo cuántico puede destruir el estado cuántico, un fenómeno conocido como"demolición cuántica"
Los investigadores teorizan que el enfoque actual puede evitar este problema porque usa luz para sondear el estado del sistema cuántico. La luz ya se usa como un mensajero para llevar señales de cable e internet a los hogares a través de cables de fibra óptica, y también esse utiliza para conectar sistemas qubit superconductores, pero esta es una de las primeras aplicaciones en qubits de espín de silicio.
En estos qubits, la información está representada por el giro del electrón, que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. Por ejemplo, un giro apuntando hacia arriba podría representar un 0 y un giro apuntando hacia abajo podría representar un 1. Las computadoras convencionales, en contraste, usan elcarga del electrón para codificar información.
Conectar qubits basados en silicio para que puedan hablar entre ellos sin destruir su información ha sido un desafío para el campo. Aunque el equipo liderado por Princeton acopló con éxito dos espines de electrones vecinos separados por solo 100 nanómetros 100 billonésimas de metro, como se publicó en Science en diciembre de 2017, el acoplamiento de giro a luz, que permitiría el acoplamiento de giro a giro de larga distancia, ha seguido siendo un desafío hasta ahora.
En el estudio actual, el equipo resolvió el problema de la comunicación a larga distancia al acoplar la información del qubit, es decir, si el giro apunta hacia arriba o hacia abajo, a una partícula de luz o fotón, que está atrapado por encima delqubit en la cámara. La naturaleza ondulada del fotón le permite oscilar por encima del qubit como una nube ondulada.
El estudiante graduado Xiao Mi y sus colegas descubrieron cómo vincular la información sobre la dirección del giro con el fotón, para que la luz pueda captar un mensaje, como "puntos de giro hacia arriba", desde el qubit ". El fuerte acoplamiento de"Un giro a un solo fotón es una tarea extraordinariamente difícil similar a un baile perfectamente coreografiado", dijo Mi. "La interacción entre los participantes giro, carga y fotón debe ser diseñada con precisión y protegida del ruido ambiental, queno ha sido posible hasta ahora ". El equipo de Princeton incluyó a su compañero postdoctoral Stefan Putz y al estudiante graduado David Zajac.
El avance fue posible al aprovechar las propiedades de las ondas electromagnéticas de la luz. La luz consiste en campos eléctricos y magnéticos oscilantes, y los investigadores lograron acoplar el campo eléctrico de la luz al estado de giro del electrón.
Los investigadores lo hicieron basándose en el hallazgo del equipo publicado en diciembre de 2016 en la revista Science que demostró el acoplamiento entre una sola carga de electrones y una sola partícula de luz.
Para convencer al qubit para que transmita su estado de espín al fotón, los investigadores colocan el espín de electrones en un gran gradiente de campo magnético de modo que el espín de electrones tenga una orientación diferente según el lado del punto cuántico que ocupe. El campo magnéticogradiente, combinado con el acoplamiento de carga demostrado por el grupo en 2016, acopla la dirección de giro del qubit al campo eléctrico del fotón.
Idealmente, el fotón enviará el mensaje a otro qubit ubicado dentro de la cámara. Otra posibilidad es que el mensaje del fotón se pueda llevar a través de cables a un dispositivo que lea el mensaje. Los investigadores están trabajando en estos próximos pasos en elproceso.
Petta dijo que todavía se necesitan varios pasos antes de hacer una computadora cuántica basada en silicio. Las computadoras cotidianas procesan miles de millones de bits, y aunque los qubits son más poderosos computacionalmente, la mayoría de los expertos coinciden en que se necesitan 50 o más qubits para lograr la supremacía cuántica, dondelas computadoras cuánticas comenzarían a eclipsar a sus contrapartes clásicas.
Daniel Loss, profesor de física en la Universidad de Basilea en Suiza que está familiarizado con el trabajo pero no está directamente involucrado, dijo: "El trabajo del profesor Petta y sus colaboradores es uno de los avances más emocionantes en el campo de los qubits de spinningen los últimos años. He estado siguiendo el trabajo de Jason durante muchos años y estoy profundamente impresionado por los estándares que ha establecido para el campo, y una vez más con este último experimento en aparecer Naturaleza . Es un gran hito en la búsqueda de la construcción de una computadora cuántica verdaderamente poderosa, ya que abre un camino para meter cientos de millones de qubits en un chip de pulgada cuadrada. Estos son desarrollos muy emocionantes para el campo ¬ - ymás allá."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Catherine Zandonella. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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