Las computadoras cuánticas usan bits cuánticos o "qubits" para hacer sus cálculos, estados cuánticos, es decir, de átomos o electrones que pueden tomar los valores lógicos "0" y "1" al mismo tiempo.muchos de estos qubits para hacer una computadora cuántica poderosa, uno necesita acoplarlos entre sí a distancias de milímetros o incluso varios metros. Una forma de lograr esto es explotando el desplazamiento de carga causado por una onda electromagnética, que es el principio de funcionamientode una antena. Tal acoplamiento, sin embargo, también expone el qubit a perturbaciones debido a campos eléctricos no deseados, lo que limita severamente la calidad de las operaciones lógicas de qubit.
Un equipo de científicos que trabajan en varios grupos de investigación en ETH Zurich, asistidos por físicos teóricos de la Universidad de Sherbrooke en Canadá, ahora han demostrado cómo se puede evitar este problema. Para ello, encontraron la manera de acoplar un fotón de microondas a unspin qubit en un punto cuántico
Qubits con carga o giro
En los puntos cuánticos, los electrones quedan atrapados primero en estructuras de semiconductores que miden solo unos pocos nanómetros que se enfrían a menos de un grado por encima del cero absoluto de la escala de temperatura. Los valores lógicos 0 y 1 ahora se pueden realizar de dos maneras diferentes.Uno define un qubit en términos de la posición del electrón en el lado derecho o izquierdo de un punto cuántico doble, o bien por el giro del electrón, que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo.
El primer caso se llama qubit de carga, que se acopla fuertemente a las ondas electromagnéticas a través del desplazamiento de la carga eléctrica. Un qubit de giro, por otro lado, puede visualizarse como una pequeña aguja de brújula que apunta hacia arriba o hacia abajo. Muy parecido a unaguja de la brújula, un giro también es magnético y, por lo tanto, no se acopla a campos eléctricos sino más bien magnéticos. Sin embargo, el acoplamiento de un qubit de giro a la parte magnética de las ondas electromagnéticas es mucho más débil que el de un qubit de carga alparte eléctrica.
Tres vueltas para un acoplamiento más fuerte
Esto significa que, por un lado, un spin qubit es menos susceptible al ruido y mantiene su coherencia en la que se basa la acción de una computadora cuántica durante un período de tiempo más largo. Por otro lado, es considerablementeel grupo de investigación del profesor de ETH Klaus Ensslin utiliza un truco para hacer posible este acoplamiento, sin embargo, como explica el post-doc Jonne Koski: "Al darse cuenta del qubit con nosolo un giro, pero en lugar de tres, podemos combinar las ventajas de un qubit de giro con las de un qubit de carga ".
En la práctica, esto se realiza produciendo tres puntos cuánticos en un chip semiconductor que están cerca uno del otro y pueden controlarse mediante voltajes que se aplican a través de cables diminutos. En cada uno de los puntos cuánticos, electrones con espines apuntando hacia arriba o hacia abajopuede quedar atrapado. Además, uno de los cables conecta el trío de espín a un resonador de microondas. Los voltajes en los puntos cuánticos ahora se ajustan para tener un solo electrón en cada punto cuántico, con los espines de dos de los electrones apuntando hacia adentrola misma dirección y el tercer giro apuntando en la dirección opuesta.
Desplazamiento de carga a través de túneles
De acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica, los electrones también pueden hacer un túnel de ida y vuelta entre los puntos cuánticos con una cierta probabilidad. Esto significa que dos de los tres electrones pueden estar temporalmente en el mismo punto cuántico, con un punto cuánticopermanece vacío. En esta constelación, la carga eléctrica ahora está distribuida de manera desigual. Este desplazamiento de carga, a su vez, da lugar a un dipolo eléctrico que puede acoplarse fuertemente al campo eléctrico de un fotón de microondas.
Los científicos de ETH pudieron detectar claramente el acoplamiento fuerte midiendo la frecuencia de resonancia del resonador de microondas. Observaron cómo la resonancia del resonador se dividió en dos debido al acoplamiento al trío de espín. A partir de esos datos, pudieron inferirque la coherencia del spin qubit permaneció intacta durante más de 10 nanosegundos.
Trios de giro para un bus cuántico
Los investigadores confían en que pronto será posible realizar un canal de comunicación para la información cuántica entre dos qubits de espín usando esta tecnología. "Esto requerirá que coloquemos trios de espín en cualquier extremo del resonador de microondas y mostrar que los qubitsluego se acoplan entre sí a través de un fotón de microondas ", dice Andreas Landig, primer autor del artículo y estudiante de doctorado en el grupo de Ensslin. Este sería un paso importante hacia una red de qubits de espín distribuidos espacialmente. Los investigadores también enfatizan que su métodoes muy versátil y se puede aplicar directamente a otros materiales como el grafeno.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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