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Computación cuántica sin requerir enfriamiento

Actualidad Informática. Computación cuántica sin requerir enfriamiento. Rafael Barzanallana

Es un reto que ha sido durante mucho tiempo uno de los santos griales de la computación cuántica: cómo crear los bloques clave de construcción, conocidos como bits cuánticos o qubits, que existan en un sistema de estado sólido a temperatura ambiente.

La mayoría de los sistemas actuales, por comparación, se basan en un equipo complejo y caro diseñado para atrapar un solo átomo o un electrón en el vacío y luego enfriar todo el sistema a temperaturas próximas al cero absoluto.

Un grupo de científicos de Harvard, dirigido por el profesor de Física Mikhail Lukin, incluyendo a los estudiantes graduados Kucsko Georg Maurer y Peter y el investigador postdoctoral C. Latta, indican que han resuelto el problema, y lo hicieron recurriendo a uno de los materiales más puros de la Tierra: los diamantes.

Con un par de impurezas en diamantes ultrapuros, «cultivados» en el laboratorio de diamantes, los investigadores fueron capaces de crear los bits cuánticos que almacenan la información y permanecer en ellos durante casi dos segundos, un aumento de casi seis órdenes de magnitud más de la vida útil de los sistemas anteriores. El trabajo, descrito en la revista Science, es un primer paso crítico en la eventual construcción de un ordenador cuántico funcional, y tiene una gran cantidad de otras aplicaciones potenciales.

«Lo que hemos sido capaces de lograr en términos de control es sin precedentes», dijo Lukin. «Tenemos un qubit, a temperatura ambiente, que podemos medir con muy alta eficiencia y fidelidad. Podemos codificar los datos en él, y nos los puede almacenar por un tiempo relativamente largo. Creemos que este trabajo sólo está limitado por cuestiones técnicas, por lo que parece factible aumentar el tiempo de vida en el rango de horas. En ese momento, una gran cantidad de aplicaciones del mundo real serán posibles».

Además de un ordenador cuántico práctico, Lukin prevé que el sistema se utilice en aplicaciones que incluyen «dinero cuántico» (un sistema de pago para las transacciones bancarias y tarjetas de crédito que se basa en la codificación de los bits cuánticos para frustrar a los falsificadores) y las redes cuánticas (método de comunicaciones altamente seguro que utiliza bits cuánticos para transmitir datos).

«Esta investigación es un importante paso adelante en la investigación hacia  la construcción algún día de una computadora cuántica práctica», dijo Kucsko, que trabaja en el laboratorio de Lukin, y es uno de los dos primeros autores del artículo. «Por primera vez, tenemos un sistema que tiene un plazo de tiempo razonable para la memoria y simplicidad, por lo que ahora es algo que podemos seguir».

La base para el avance de Lukin se estableció hace varios años, cuando investigadores descubrieron que los sitios vacantes de nitrógeno (NV), los centros a escala atómica de impurezas en el diamantes, crecidos en el laboratorio se comportan de la misma manera que los átomos individuales. Al igual que los átomos individuales, cada centro posee un espín, que puede ser polarizado, similar al de un imán de barra. Mediante el uso de láser, los investigadores son capaces no sólo de controlar el espín, sino tambén detectar su orientación a medida que cambia con el tiempo.

Pero la idea de utilizar los centros de NV para formar la columna vertebral de una computadora cuántica, simplemente no era práctico, en gran parte debido a que sólo puede contener los datos  cerca de una millonésima de segundo antes de que sus propiedades cuánticas – y cualquier otro dato que puede haber – se  perdiera.

El culpable, dijo Lukin, fue otra impureza en el cristal de diamante.

En los experimentos iniciales, el equipo utilizó diamantes que contiene 99 por ciento de 12 átomos de carbono, que no tienen espín. El resto, sin embargo, estaba formado por átomos de carbono-13, un isótopo complicado que contiene un espín en el núcleo del átomo. Aunque débil, la interacción con los espines estaba causando luces de los centros NV corta vida.

Con esta última investigación, sin embargo, Lukin y su equipo convertido lo que alguna vez fue un reto – la interacción entre el centro de NV y átomos de carbono-13 – para su ventaja.

«El espín nuclear del carbono-13 tiene un bit cuántico ideal, porque están muy aislados», dijo Lukin. «Debido a  tan poca interacción con las fuerzas externas,  tienen tiempos de coherencia relativamente largos. Por supuesto, las mismas propiedades que las hacen ideales los  qubits también los hacen difíciles de medir y manipular».

La solución de Lukin y su equipo  fue sorprendentemente elegante. En lugar de intentar encontrar una manera de medir el espín de los átomos de carbono, utilizaron el centro NV que lo haga por ellos.

Trabajando con investigadores de Element Six, una empresa británica que se especializa en la fabricación de diamantes artificiales, desarrollaron una nueva técnica para crear cristales que eran aún más puros: 99n99 por ciento de carbono-12. Los investigadores luego bombardear el cristal con nitrógeno para crear el centro NV, que interactúa con un cercano átomo de carbono-13.

El resultado de esta interacción es que el centro NV refleja el estado del átomo de carbono, es decir, los investigadores pueden codificar un bit de información en el espín del átomo, a continuación, «leer» los datos mediante la supervisión del centro de NV.

«El sistema que hemos desarrollado utiliza esta sonda muy local, el centro de NV, que nos permite controlar que los beneficios», dijo Lukin. «Como resultado de ello, por primera vez, podemos codificar un bit de información en el espín, y utilizar este sistema para su lectura».

Sin embargo, la codificación de la información en el espín del átomo de carbono-13 y su lectura  utilizando el centro NV es sólo un paso en el camino hacia una computadora cuántica. Para ser verdaderamente útil, los investigadores tuvieron que determinar la forma de tomar ventaja de las propiedades cuánticas del átomo -es decir, su capacidad para ocupar dos estados al mismo tiempo.

Esa capacidad de estar en dos estados al mismo tiempo, es un principio clave de los ordenadores cuánticos. A diferencia de las computadoras tradicionales, que codifican los bits de información, ya sea cero o uno, los ordenadores cuánticos se basan en escala atómica de la mecánica cuántica para dar a los bits cuánticos ambos valores a la vez. Esa propiedad, en teoría, permite a los ordenadores cuánticos realizar cálculos múltiples en paralelo, por lo que son mucho más poderosos que los ordenadores tradicionales, que realizan operaciones en la secuencia.

La solución, Lukin explicó, era un proceso de dos pasos.

El primer paso es cortar la conexión entre el centro NV y el átomo de carbono.  Con el uso de cantidades masivas de luz láser, el investigador es capaz de mantener con eficacia el centro NV ocupado y evitar  la interacción con el átomo de carbono. En el paso dos, el cristal de diamante es bombardeado con un conjunto específico de impulsos de frecuencia de radio, la supresión de la interacción entre el átomo de carbono-13 y cualesquiera átomos cercanos.

«Al limitar las interacciones con el átomo de carbono-13, se puede extender la vida útil del qubit y mantener los datos durante más tiempo», dijo Lukin. «El resultado final es que somos capaces de aumentar el tiempo de coherencia de una milésima de segundo a casi dos segundos.»

Fuente: P. C. Maurer, G. Kucsko, C. Latta, L. Jiang, N. Y. Yao, S. D. Bennett, F. Pastawski, D. Hunger, N. Chisholm, M. Markham, D. J. Twitchen, J. I. Cirac, M. D. Lukin. Room-Temperature Quantum Bit Memory Exceeding One Second. Science, 2012; 336 (6086): 1283 DOI: 10.1126/science.1220513

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