Los investigadores han dado un paso importante hacia el objetivo largamente buscado de una computadora cuántica, que en teoría debería ser capaz de realizar cálculos mucho más rápidos que las computadoras convencionales, para ciertos tipos de problemas. El nuevo trabajo muestra que las colecciones de moléculas ultrafrías pueden retenerla información almacenada en ellos, durante cientos de veces más de lo que los investigadores han logrado previamente en estos materiales.
Estas moléculas de dos átomos están hechas de sodio y potasio y se enfriaron a temperaturas de solo unas diez millonésimas de grado por encima del cero absoluto medido en cientos de nanocelvinas, o nK. Los resultados se describen en un informe esta semanaen ciencia , por Martin Zwierlein, un profesor de física del MIT; Jee Woo Park, un ex estudiante de posgrado del MIT; Sebastian Will, un ex investigador científico del MIT y ahora profesor asistente en la Universidad de Columbia, y otros dos, todos en el MIT-Centro de Harvard para átomos ultrafríos.
Se están estudiando muchos enfoques diferentes como posibles formas de crear qubits, los bloques de construcción básicos de computadoras cuánticas de larga teoría pero aún no plenamente realizadas. Los investigadores han intentado utilizar materiales superconductores, iones contenidos en trampas de iones o átomos neutros individuales, comoasí como moléculas de complejidad variable. El nuevo enfoque utiliza un grupo de moléculas muy simples hechas de solo dos átomos.
"Las moléculas tienen más 'asas' que átomos", dice Zwierlein, lo que significa más formas de interactuar entre sí y con influencias externas. "Pueden vibrar, pueden rotar y, de hecho, pueden interactuar fuertemente entre sí, lo cuallos átomos tienen dificultades para hacerlo. Por lo general, los átomos tienen que encontrarse realmente, estar casi uno encima del otro, antes de que vean que hay otro átomo allí para interactuar, mientras que las moléculas pueden verse entre sí "en rangos relativamente largos".Para que estos qubits se comuniquen entre sí y realicen cálculos, usar moléculas es una idea mucho mejor que usar átomos ", dice.
El uso de este tipo de moléculas de dos átomos para el procesamiento de información cuántica "se había sugerido hace algún tiempo", dice Park, "y este trabajo demuestra el primer paso experimental hacia la realización de esta nueva plataforma, que es que la información cuántica se puede almacenar enmoléculas dipolares para tiempos extendidos "
"Lo más sorprendente es que [estas] moléculas son un sistema que puede permitir realizar tanto el almacenamiento como el procesamiento de información cuántica, utilizando el mismo sistema físico", dice Will. "Esa es en realidad una característica bastante rara que no estípico en todos los sistemas de qubit que se consideran principalmente hoy en día "
En las pruebas de laboratorio iniciales de prueba de principio del equipo, unos pocos miles de las moléculas simples estaban contenidas en una nube de gas microscópica, atrapadas en la intersección de dos rayos láser y enfriadas a temperaturas ultrafrías de aproximadamente 300 nanokelvins ".cuantos más átomos tenga en una molécula, más difícil será enfriarlos ", dice Zwierlein, por lo que eligieron esta estructura simple de dos átomos.
Las moléculas tienen tres características clave: rotación, vibración y la dirección de giro de los núcleos de los dos átomos individuales. Para estos experimentos, los investigadores pusieron las moléculas bajo un control perfecto en términos de las tres características, es decir, enEl estado más bajo de vibración, rotación y alineación del espín nuclear.
"Hemos podido atrapar moléculas durante mucho tiempo, y también demostrar que pueden transportar información cuántica y conservarla durante mucho tiempo", dice Zwierlein. Y eso, dice, es "uno de los avances clave"o hitos que uno tiene que tener antes de esperar construir una computadora cuántica, que es un esfuerzo mucho más complicado ".
El uso de moléculas de sodio-potasio ofrece una serie de ventajas, dice Zwierlein. Por un lado, "la molécula es químicamente estable, por lo que si una de estas moléculas se encuentra con otra, no se separan".
En el contexto de la computación cuántica, el "tiempo prolongado" al que se refiere Zwierlein es un segundo, que es "de hecho del orden de mil veces más que un experimento comparable que se ha realizado" usando la rotación para codificar el qubit, dice. "Sin medidas adicionales, ese experimento dio un milisegundo, pero esto ya fue genial". Con el método de este equipo, la estabilidad inherente del sistema significa "obtienes un segundo completo gratis".
Eso sugiere, aunque queda por demostrar, que dicho sistema podría realizar miles de cálculos cuánticos, conocidos como compuertas, en secuencia dentro de ese segundo de coherencia. Los resultados finales podrían entonces "leerse" ópticamente a través deun microscopio que revela el estado final de las moléculas.
"Tenemos grandes esperanzas de que podamos hacer una llamada puerta, que es una operación entre dos de estos qubits, como la suma, la resta o ese tipo de equivalente, en una fracción de milisegundo", dice Zwierlein."Si observa la relación, podría esperar realizar operaciones de puerta de 10,000 a 100,000 en el momento en que tengamos la coherencia en la muestra. Eso se ha establecido como uno de los requisitos para que una computadora cuántica tenga ese tipo de relaciónde operaciones de puerta a tiempos de coherencia "
"El próximo gran objetivo será 'hablar' con moléculas individuales. Entonces realmente estamos hablando de información cuántica", dice Will. "Si podemos atrapar una molécula, podemos atrapar dos. Y luego podemos pensar en implementar un'operación de puerta cuántica', un cálculo elemental, entre dos qubits moleculares que se sientan uno al lado del otro ", dice.
Zwierlein dice que usar una matriz de quizás 1,000 de esas moléculas permitiría realizar cálculos tan complejos que ninguna computadora existente podría siquiera comenzar a verificar las posibilidades. Aunque enfatiza que este es aún un primer paso y que esas computadoraspodría estar a una década o más de distancia, en principio, un dispositivo de este tipo podría resolver rápidamente problemas que actualmente no se pueden resolver, como factorizar números muy grandes, un proceso cuya dificultad forma la base de los mejores sistemas de encriptación actuales para transacciones financieras.
Además de la computación cuántica, el nuevo sistema también ofrece el potencial para una nueva forma de realizar mediciones de precisión y química cuántica, dice Zwierlein.
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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