La ciencia cuántica es prometedora para muchas aplicaciones tecnológicas, como la construcción de redes de comunicación a prueba de piratas informáticos o computadoras cuánticas que podrían acelerar el descubrimiento de nuevos fármacos. Estas aplicaciones requieren una versión cuántica de un bit de computadora, conocido como qubit, que almacena información cuántica.
Pero los investigadores todavía están lidiando con la forma de leer fácilmente la información contenida en estos qubits y luchan con el corto tiempo de memoria, o coherencia, de los qubits, que generalmente se limita a microsegundos o milisegundos.
Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y la Universidad de Chicago lograron dos avances importantes para superar estos desafíos comunes para los sistemas cuánticos. Pudieron leer su qubit a pedido y luego mantenerel estado cuántico intacto durante más de cinco segundos, un nuevo récord para esta clase de dispositivos.Además, los qubits de los investigadores están hechos de un material fácil de usar llamado carburo de silicio, que se encuentra ampliamente en bombillas, vehículos eléctricos y de alta-electrónica de voltaje.
"Es poco común que la información cuántica se conserve en estas escalas de tiempo humanas", dijo David Awschalom, científico principal del Laboratorio Nacional de Argonne, director del centro de investigación cuántica Q-NEXT, profesor de la familia Liew en Ingeniería Molecular y Física en la Universidad de Chicago, e investigador principal del proyecto."Cinco segundos es tiempo suficiente para enviar una señal a la velocidad de la luz a la luna y viceversa. Eso es poderoso si está pensando en transmitir información de un qubit a alguien a través de la luz. Esa luz aún se reflejará correctamenteel estado qubit incluso después de haber dado la vuelta a la Tierra casi 40 veces, allanando el camino para hacer una Internet cuántica distribuida".
Al crear un sistema qubit que se pueda fabricar con dispositivos electrónicos comunes, los investigadores esperan abrir una nueva vía para la innovación cuántica utilizando una tecnología que sea tanto escalable como rentable.
"Esto esencialmente trae al carburo de silicio a la vanguardia como una plataforma de comunicación cuántica", dijo la estudiante graduada de la Universidad de Chicago Elena Glen, coautora del artículo. "Esto es emocionante porque es fácil de escalar, dado que ya sabemoscómo hacer dispositivos útiles con este material".
Los hallazgos fueron publicados el 2 de febrero en la revistaLa ciencia avanza.
'10.000 veces más señal'
El primer avance para los investigadores fue hacer que los qubits de carburo de silicio fueran más fáciles de leer.
Cada computadora necesita una forma de leer la información codificada en sus bits. Para los qubits de semiconductores, como los medidos por el equipo, el método de lectura típico es abordar los qubits con láser y medir la luz emitida de regreso. Este procedimiento es desafiante,sin embargo, porque requiere detectar partículas individuales de luz llamadas fotones de manera muy eficiente.
En cambio, los investigadores usan pulsos de láser cuidadosamente diseñados para agregar un solo electrón a su qubit dependiendo de su estado cuántico inicial, ya sea cero o uno. Luego, el qubit se lee de la misma manera que antes, con un láser.
"Solo que ahora, la luz emitida refleja la ausencia o presencia del electrón, y con casi 10 000 veces más señal", dijo Glen. "Al convertir nuestro estado cuántico frágil en cargas electrónicas estables, podemos medir nuestro estado mucho, muchomás fácilmente Con este aumento de señal, podemos obtener una respuesta confiable cada vez que verificamos en qué estado se encuentra el qubit.."
Armados con el método de lectura de disparo único, los científicos podrían concentrarse en hacer que sus estados cuánticos duren el mayor tiempo posible, un desafío notorio para las tecnologías cuánticas, porque los qubits pierden fácilmente su información debido al ruido en su entorno.
Los investigadores cultivaron muestras altamente purificadas de carburo de silicio que redujeron el ruido de fondo que tiende a interferir con el funcionamiento de su qubit. Luego, al aplicar una serie de pulsos de microondas al qubit, extendieron la cantidad de tiempo que sus qubits conservaron su cuánticainformación, concepto denominado "coherencia".
"Estos pulsos desacoplan el qubit de las fuentes de ruido y los errores cambiando rápidamente el estado cuántico", dijo Chris Anderson de la Universidad de Chicago, coautor del artículo. "Cada pulso es como presionar el botón de deshacer en nuestro qubit, borrando cualquier error que pueda haber ocurrido entre pulsos."
Los investigadores creen que deberían ser posibles coherencias aún más largas. Extender el tiempo de coherencia tiene ramificaciones significativas, como la complejidad de una operación que puede manejar una futura computadora cuántica o la pequeña señal que puede detectar un sensor cuántico.
"Por ejemplo, este nuevo tiempo récord significa que podemos realizar más de 100 millones de operaciones cuánticas antes de que nuestro estado se codifique", dijo Anderson.
Los científicos ven múltiples aplicaciones potenciales para las técnicas que desarrollaron.
"La capacidad de realizar una lectura de un solo disparo abre una nueva oportunidad: usar la luz emitida por los qubits de carburo de silicio para ayudar a desarrollar una futura Internet cuántica", dijo Glen. "Operaciones esenciales como el entrelazamiento cuántico, donde el estado cuántico de un qubitse puede saber leyendo el estado de otro, ahora están en las tarjetas para sistemas basados en carburo de silicio".
"Básicamente, hemos creado un traductor para convertir estados cuánticos al reino de los electrones, que son el lenguaje de la electrónica clásica, como lo que hay en su teléfono inteligente", dijo Anderson. "Queremos crear una nueva generación de dispositivos queson sensibles a electrones individuales, pero que también albergan estados cuánticos. El carburo de silicio puede hacer ambas cosas, y es por eso que creemos que realmente brilla".
La investigación usó recursos del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de UChicago, la Instalación de Nanofabricación Pritzker y el Centro de Informática de Investigación.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE, la división de Ciencia e Ingeniería de Materiales, los Centros Nacionales de Investigación en Ciencias de la Información Cuántica del DOE, la Fundación Nacional de Ciencias, Boeing, el Consejo Sueco de Investigación, la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, la Comisión Europea, Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y Fundación Knut y Alice Wallenberg.
-- Redacción aportada por Elena Glen, Chris Anderson y Louise Lerner
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por DOE/Laboratorio Nacional de Argonne. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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