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| La ciencia cuántica es prometedora para muchas aplicaciones tecnológicas, como la construcción de redes de comunicación a prueba de hackers o de ordenadores cuánticos que podrían acelerar el descubrimiento de nuevos fármacos. Imagen de crédito: Shutterstock |
Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) y de la Universidad de Chicago ha logrado dos importantes avances para superar estos retos habituales de los sistemas cuánticos. Fueron capaces de leer su qubit a demanda y luego mantener el 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 las bombillas, los vehículos eléctricos y la electrónica de alto voltaje.
"No es habitual que la información cuántica se conserve en estas escalas de tiempo humanas", afirma David Awschalom, científico principal del Laboratorio Nacional de Argonne, director del centro de investigación cuántica Q-NEXT, catedrático de la Familia Liew en Ingeniería y Física Molecular de 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 volver. Eso es muy potente si se trata de transmitir información de un qubit a alguien a través de la luz. Esa luz seguirá reflejando correctamente el estado del qubit incluso después de haber dado la vuelta a la Tierra casi 40 veces, lo que allana el camino para hacer una internet cuántica distribuida".
Al crear un sistema de qubits que puede fabricarse en la electrónica común, los investigadores esperan abrir una nueva vía para la innovación cuántica utilizando una tecnología que sea escalable y rentable.
"El carburo de silicio se ha convertido en una plataforma de comunicación cuántica", afirma la estudiante de la Universidad de Chicago Elena Glen, coautora del artículo. "Es emocionante porque es fácil de ampliar, puesto que ya sabemos cómo fabricar dispositivos útiles con este material".
Los resultados se publicaron el 2 de febrero en la revista Science Advances.
El primer avance de los investigadores fue facilitar la lectura de los qubits de carburo de silicio.
Todo ordenador necesita una forma de leer la información codificada en sus bits. En el caso de los qubits semiconductores, como los medidos por el equipo, el método típico de lectura consiste en dirigir los qubits con láseres y medir la luz emitida. Sin embargo, este procedimiento es un reto porque requiere detectar partículas individuales de luz llamadas fotones de forma muy eficiente.
En su lugar, los investigadores utilizan pulsos láser cuidadosamente diseñados para añadir un solo electrón a su qubit en función de su estado cuántico inicial, ya sea cero o uno. A continuación, el qubit se lee de la misma forma que antes: con un láser.
"Sólo 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 frágil estado cuántico en cargas electrónicas estables, podemos medir nuestro estado mucho, mucho más fácilmente. Con este aumento de la señal, podemos obtener una respuesta fiable cada vez que comprobamos en qué estado se encuentra el qubit. Este tipo de medición se denomina "lectura de un solo disparo", y con ella podemos desbloquear un montón de tecnologías cuánticas útiles".
Con el método de lectura de un solo disparo, los científicos pudieron centrarse en hacer que sus estados cuánticos duraran el mayor tiempo posible, un reto 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 en el funcionamiento de sus qubits. A continuación, aplicando una serie de pulsos de microondas al qubit, ampliaron el tiempo que sus qubits conservaban su información cuántica, un concepto denominado "coherencia".
"Estos pulsos desacoplan el qubit de las fuentes de ruido y de los errores cambiando rápidamente el estado cuántico", explica Chris Anderson, de la Universidad de Chicago, primer autor del artículo. "Cada pulso es como pulsar el botón de deshacer en nuestro qubit, borrando cualquier error que pueda haber ocurrido entre los pulsos".
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| Los chips utilizados en el experimento están hechos de carburo de silicio, un material barato y de uso común. Crédito: David Awschalom / Universidad de Chicago |
Los investigadores creen que deberían ser posibles coherencias aún más largas. La ampliación del tiempo de coherencia tiene importantes ramificaciones, como la complejidad de las operaciones que puede manejar un futuro ordenador cuántico o el tamaño de la 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 desordene", dijo Anderson.
Los científicos ven múltiples aplicaciones potenciales para las técnicas que han desarrollado.
"La capacidad de realizar una lectura de un solo disparo abre una nueva oportunidad: Utilizar 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, en el que el estado cuántico de un qubit puede conocerse mediante la lectura del estado de otro, están ahora al alcance de los sistemas basados en carburo de silicio".
"Esencialmente, hemos hecho un traductor para convertir de los estados cuánticos al reino de los electrones, que son el lenguaje de la electrónica clásica, como lo que hay en tu smartphone", dijo Anderson. "Queremos crear una nueva generación de dispositivos que sean sensibles a los electrones individuales, pero que también alberguen estados cuánticos. El carburo de silicio puede hacer ambas cosas, y por eso creemos que realmente brilla".
Fuentes, créditos y referencias:
Christopher P. Anderson et al, Five-second coherence of a single spin with single-shot readout in silicon carbide, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abm5912