En un paso clave hacia la creación de un ordenador cuántico, investigadores de Princeton University han desarrollado un método que puede permitir una transferencia rápida y fiable de la información cuántica a través de un dispositivo informático.
El hallazgo, realizado por un equipo dirigido por el físico de Princeton Jason Petta, con el tiempo podría permitir a los ingenieros construir ordenadores cuánticos de millones de bits cuánticos o qubits. Hasta el momento, los investigadores cuánticos sólo han sido capaces de manipular pequeños números de qubits.
Para realizar la transferencia, el equipo de Petta utilizó una corriente de fotones de microondas para analizar un par de electrones atrapados en una jaula diminuta enviado a un punto cuántico . El "estado de espín" de los electrones - información sobre la forma en que están girando, una de las propiedades de los electrones - sirve como qubit, una unidad básica de información. La corriente de microondas permite a los científicos leer esa información.
"Creamos una cavidad con espejos en ambos extremos ... que reflejan la radiación de microondas", dijo Petta. "Enviamos microondas en un extremo, y nos fijamos en el microondas, ya que sale por el otro extremo. Las microondas se ven afectados por los estados de espín de los electrones en la cavidad, y se puede leer el cambio ".
En un sentido ordinario, las distancias implicadas son muy pequeños; todo el aparato funciona en un poco más de un centímetro. Pero en la escala subatómica, son enormes. Es como coordinar el movimiento de una peonza en la luna con otro en la superficie de la tierra.
"Es la cosa más increíble", dijo Jake Taylor, un físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y del Joint Quantum Institute de la Universidad de Maryland, quien trabajó en el proyecto con el equipo de Princeton. "Usted tiene un solo electrón casi por completo para cambiar las propiedades de un sistema eléctrico de pulgadas de largo."
Durante años, los equipos científicos han perseguido la idea de usar la mecánica cuántica para construir una nueva máquina que fuera a revolucionar la informática. El objetivo no es construir un equipo más rápido o más fuerte, sino para construir uno que se acerque a los problemas de una manera completamente diferente.
Uno de los retos a los que se enfrentan los científicos es que los espines de los electrones, o cualquier otra partícula cuántica , son increíblemente delicados. Las influencias externas, ya sea un mechón de magnetismo o rayo de luz, desestabiliza espines de los electrones e introduce errores.
Con los años, los científicos han desarrollado técnicas para observar estados de espín sin molestarlos. (Este año el Premio Nobel de Física honró a dos científicos que primero demostraron la observación directa de las partículas cuánticas.) Sin embargo, el análisis de un pequeño número de vueltas no es suficiente, millones estarán obligados a hacer falta para un procesador cuántico real.
Hybrid puntos cuánticos dispositivo superconductor resonador. (A) de circuito esquemático y micrografía del diseño del dispositivo híbrido.
Micrografía electrónica de barrido (b) y vista en sección transversal
esquemática (c) de los nanocables doble de puntos cuánticos (DQD).
Las puertas de barrera izquierdo y derecho (BL y BR), izquierda y
derecha émbolo puertas (L y R), y la puerta central (M) están sesgados a
crear un potencial de doble pozo dentro de los nanocables.
El contacto de drenaje del nanocable, D, está conectado a tierra, y el
contacto de fuente, S, está conectado a un antinodo del resonador, que
oscila a una VCavity tensión. (Crédito Petersson et. Al.)
Para hacer los puntos cuánticos, el equipo aisló un par de electrones en una pequeña sección de material que se llama un "nanocable semiconductor" - un cable que es tan delgada que puede contener electrones. Entonces crearon pequeñas "jaulas" a lo largo del alambre. Las jaulas se colocan de manera que los electrones se asentará en una jaula particular, dependiendo de su nivel de energía.
Así es como el equipo lee el estado de espín: los electrones de espín similares se repelen, mientras que las de giros diferentes se atraen. Así que el equipo manipula los electrones a un cierto nivel de energía, y después lee su posición. Si están en la misma jaula, están girando de manera diferente, y si son en jaulas diferentes, los giros son los mismos.
El segundo paso es colocar este punto cuántico dentro del canal de microondas. Esto permite que el equipo transfiera la información sobre el estado de giro del par - el qubit.
Petta indica que el próximo paso es aumentar la fiabilidad de la configuración de un par electrón. Después de eso, el equipo planea añadir más puntos cuánticos para crear más qubits. Los miembros del equipo son cautelosamente optimistas. No parece que existan problemas insuperables en este punto, pero, como con cualquier otro sistema, la complejidad creciente podría llevar a dificultades imprevistas.
"Los métodos que estamos utilizando aquí son escalables, y nos gustaría utilizarlo en un sistema más amplio", dijo Petta. "Sin embargo, para hacer uso de la escala, necesitamos que funcione un poco mejor. El primer paso es hacer mejores espejos de la cavidad de microondas. "
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