Imagine un mundo donde la gente solo pudiera hablar con su vecino de al lado, y los mensajes deben pasarse de casa en casa para llegar a destinos lejanos.
Hasta ahora, esta ha sido la situación para los bits de hardware que conforman una computadora cuántica de silicio, un tipo de computadora cuántica con el potencial de ser más barata y más versátil que las versiones actuales.
Ahora un equipo con sede en la Universidad de Princeton ha superado esta limitación y demostró que dos componentes de computación cuántica, conocidos como qubits de "giro" de silicio, pueden interactuar incluso cuando están relativamente separados en un chip de computadora. El estudio fue publicado en la revista Naturaleza .
"La capacidad de transmitir mensajes a través de esta distancia en un chip de silicio desbloquea nuevas capacidades para nuestro hardware cuántico", dijo Jason Petta, profesor de física de Eugene Higgins en Princeton y líder del estudio. "El objetivo final es tener múltiplesbits cuánticos dispuestos en una cuadrícula bidimensional que puede realizar cálculos aún más complejos. El estudio debería ayudar a largo plazo para mejorar la comunicación de qubits en un chip, así como de un chip a otro ".
Las computadoras cuánticas tienen el potencial de enfrentar desafíos más allá de las capacidades de las computadoras cotidianas, como factorizar números grandes. Un bit cuántico, o qubit, puede procesar mucha más información que un bit informático cotidiano porque, mientras que cada bit de computadora clásico puede tener unvalor 0 o 1, un bit cuántico puede representar un rango de valores entre 0 y 1 simultáneamente.
Para cumplir la promesa de la computación cuántica, estas computadoras futuristas requerirán decenas de miles de qubits que pueden comunicarse entre sí. Las computadoras cuánticas prototipo actuales de Google, IBM y otras compañías contienen decenas de qubits hechos de una tecnología que involucra circuitos superconductores, pero muchoslos tecnólogos ven los qubits basados en silicio como más prometedores a largo plazo.
Los qubits de espín de silicio tienen varias ventajas sobre los qubits superconductores. Los qubits de espín de silicio retienen su estado cuántico por más tiempo que las tecnologías de qubit de la competencia. El uso generalizado de silicio para computadoras cotidianas significa que los qubits basados en silicio podrían fabricarse a bajo costo.
El desafío se debe en parte al hecho de que los qubits de giro de silicio están hechos de electrones individuales y son extremadamente pequeños.
"El cableado o 'interconexiones' entre múltiples qubits es el mayor desafío para una computadora cuántica a gran escala", dijo James Clarke, director de hardware cuántico de Intel, cuyo equipo está construyendo qubits de silicio utilizando la línea de fabricación avanzada de Intel, y quiénno participó en el estudio. "El equipo de Jason Petta ha hecho un gran trabajo para demostrar que los qubits de spin se pueden acoplar a largas distancias".
Para lograr esto, el equipo de Princeton conectó los qubits a través de un "cable" que transporta la luz de manera análoga a los cables de fibra óptica que envían señales de Internet a los hogares. En este caso, sin embargo, el cable es en realidad una cavidad estrecha que contieneuna sola partícula de luz, o fotón, que recoge el mensaje de un qubit y lo transmite al siguiente qubit.
Los dos qubits se ubicaron aproximadamente a medio centímetro, o aproximadamente la longitud de un grano de arroz, aparte. Para poner esto en perspectiva, si cada qubit fuera del tamaño de una casa, el qubit podría enviar un mensaje aotro qubit ubicado a 750 millas de distancia.
El paso clave hacia adelante fue encontrar una manera de hacer que los qubits y el fotón hablen el mismo idioma al ajustar los tres para que vibren a la misma frecuencia. El equipo logró sintonizar ambos qubits independientemente uno del otro mientras los acopló alfotón. Anteriormente, la arquitectura del dispositivo permitía el acoplamiento de un solo qubit al fotón a la vez.
"Hay que equilibrar las energías qubit en ambos lados del chip con la energía del fotón para que los tres elementos se comuniquen entre sí", dijo Felix Borjans, un estudiante graduado y primer autor del estudio. "Esta fue la verdaderaparte desafiante del trabajo "
Cada qubit está compuesto por un solo electrón atrapado en una pequeña cámara llamada doble punto cuántico. Los electrones poseen una propiedad conocida como spin, que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo de manera análoga a una aguja de la brújula que apunta hacia el norte o el sur.zapping el electrón con un campo de microondas, los investigadores pueden girar el giro hacia arriba o hacia abajo para asignar al qubit un estado cuántico de 1 o 0.
"Esta es la primera demostración de enredos de espines de electrones en silicio separados por distancias mucho más grandes que los dispositivos que albergan esos espines", dijo Thaddeus Ladd, científico senior de HRL Laboratories y colaborador en el proyecto. "No hace mucho tiempo, allíHubo dudas sobre si esto era posible, debido a los requisitos conflictivos de acoplar los giros a las microondas y evitar los efectos de las cargas ruidosas que se mueven en dispositivos basados en silicio. Esta es una importante prueba de posibilidad para qubits de silicio porque agrega una flexibilidad sustancialsobre cómo conectar esos qubits y cómo colocarlos geométricamente en futuros microchips cuánticos basados en silicio ""
La comunicación entre dos dispositivos qubits basados en silicio distantes se basa en el trabajo previo del equipo de investigación de Petta. En un artículo de 2010 en la revista Science, el equipo demostró que es posible atrapar electrones individuales en pozos cuánticos. En la revista Naturaleza en 2012, el equipo informó sobre la transferencia de información cuántica de espines de electrones en nanocables a fotones de frecuencia de microondas, y en 2016 en Science demostraron la capacidad de transmitir información desde un qubit de carga basado en silicio a un fotón.-comercio vecino de información en qubits en 2017 en Science. Y el equipo mostró en 2018 en Naturaleza que un qubit de espín de silicio podría intercambiar información con un fotón.
Jelena Vuckovic, profesora de ingeniería eléctrica y profesora de Jensen Huang en Liderazgo Global en la Universidad de Stanford, que no participó en el estudio, comentó: "La demostración de interacciones de largo alcance entre qubits es crucial para un mayor desarrollo de tecnologías cuánticas comocomputadoras cuánticas modulares y redes cuánticas. Este emocionante resultado del equipo de Jason Petta es un hito importante hacia este objetivo, ya que demuestra la interacción no local entre dos espines de electrones separados por más de 4 milímetros, mediados por un fotón de microondas. Además, para construirEn este circuito cuántico, el equipo empleó silicio y germanio, materiales muy utilizados en la industria de semiconductores ".
El estudio fue financiado por la Oficina de Investigación del Ejército subvención W911NF-15-1-0149 y la Iniciativa EPiQS de la Fundación Gordon y Betty Moore subvención GBMF4535.
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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