Hacia la producción en masa de ordenadores cuánticos

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Los ordenadores cuánticos son dispositivos experimentales que ofrecen grandes ganancias en la velocidad de resolución de algunos problemas computacionales. Un enfoque prometedor para construirlos implica el aprovechamiento de los defectos atómicos a escala nanométrica de materiales de diamante.

No obstante, dispositivos prácticos de computación cuántica basados ​​en diamantes requerirán la capacidad de posicionar esos defectos en ubicaciones precisas en estructuras complejas de diamantes, donde los defectos pueden funcionar como qubits, que son las unidades básicas de información en la computación cuántica. Un equipo de investigadores del MIT, de la Universidad de Harvard y de Sandia National Laboratories han publicado una nueva técnica para crear defectos específicos, que es más simple y precisa que sus predecesores.

En experimentos, los defectos producidos por la técnica se encontraban, de promedio, dentro de los 50 nanómetros de sus ubicaciones ideales.

“El escenario ideal en el procesamiento de información cuántica es hacer un circuito óptico para lanzar qubits fotónicos y luego colocar una memoria cuántica allí donde la necesites”, dice Dirk Englund, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática que dirigió al equipo del MIT. “Casi hemos llegado a ese punto. Estos emisores son casi perfectos”.

El trabajo, publicado en Nature Communicarions, tiene 15 coautores. Siete son del MIT, incluyendo Englund y el primer autor Tim Schröder, postdoctorado en el laboratorio de Englund en el momento de realizar el estudio, y ahora profesor asistente en el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague. Edward Bielejec encabezó el equipo de Sandia, y el profesor de física Mikhail Lukin lideró el equipo de Harvard.

Apelando a los defectos

Los ordenadores cuánticos, que todavía son en gran parte hipotéticos, explotan el fenómeno de la “superposición” cuántica o la capacidad aparentemente ilógica de las pequeñas partículas de habitar al mismo tiempo en estados físicos contradictorios. Por ejemplo, se puede decir que un electrón está en más de una localización simultáneamente, o que tiene a la vez sus dos orientaciones magnéticas opuestas. [No hace mucho mostramos los planos en los que basarse para construir un ordenador cuántico a gran escala, que puedes leer aquí.]

Si bien un bit en un ordenador convencional puede representar un cero o un uno, un “qubit”, o bit cuántico, puede representar un cero y un uno a la vez. Es esta capacidad que tienen series de qubits de, en cierto sentido, explorar simultáneamente múltiples soluciones a un problema la que promete aceleraciones computacionales.

Los qubits de los defectos de los diamantes son el resultado de la combinación de “vacantes”, que son ubicaciones en la red cristalina del diamante donde debería haber un átomo de carbono pero no lo hay, y “dopantes”, que son átomos de materiales distintos al carbono que se han colado en la red cristalina. Juntos, el dopante y la vacante crean un “centro” de dopante-vacancia con electrones libres asociados con él. La orientación magnética de los electrones, o “espín”, que puede estar en superposición, constituye el qubit. [Puedes comprender mejor esta idea en esta historia.]

Un problema perenne en el diseño de ordenadores cuánticos es cómo leer la información de los qubits. Los defectos del diamante presentan una solución simple, porque son emisores de luz naturales. De hecho, las partículas de luz emitidas por los defectos del diamante pueden preservar la superposición de los qubits, y de este modo podrían enviar información cuántica entre dispositivos de computación cuántica.

Interruptor de silicio

(Imagen ampliable) Representación del nitrógeno-vacante

El defecto del diamante más estudiado es el centro nitrógeno-vacante, que puede mantener la superposición durante más tiempo que cualquier otro qubit candidato. Pero emite luz en un espectro relativamente amplio de frecuencias, lo que puede conducir a imprecisiones en las mediciones en las que se basa la computación cuántica.

En su nuevo trabajo, los investigadores del MIT, Harvard y Sandia usan centros silicio-vacantes, que emiten luz en una banda muy estrecha de frecuencias. No mantienen naturalmente la superposición, pero la teoría sugiere que enfriarlos a temperaturas en el rango de los millikelvin (fracciones de grado por encima del cero absoluto) podría resolver ese problema (los qubits de los centros nitrógeno-vacantes requieren un enfriamiento a un nivel relativamente suave de 4 kelvins).

Sin embargo, para permitir su lectura, las señales de qubits emisores de luz tienen que ser amplificadas, y tiene que ser posible dirigirlas y recombinarlas para realizar cálculos. Es por eso que la capacidad de localizar con precisión los defectos es importante: es más fácil grabar circuitos ópticos en un diamante e insertar los defectos en los lugares correctos que crear defectos al azar y luego tratar de construir circuitos ópticos a su alrededor.

En el proceso descrito en el nuevo trabajo, los investigadores del MIT y de Harvard primero planearon un diamante sintético de tan sólo 200 nanómetros de espesor. Luego grabaron cavidades ópticas en la superficie del diamante que aumentaban el brillo de la luz emitida por los defectos (al tiempo que acortaban los tiempos de emisión).

Tras esto, enviaron el diamante al equipo Sandia, que personalizó un dispositivo comercial llamado Nano-Implanter para expulsar corrientes de iones de silicio. Los investigadores de Sandia dispararon de 20 a 30 iones de silicio en cada una de las cavidades ópticas del diamante y lo enviaron de regreso a Cambridge.

Vacantes móviles

En este punto, sólo alrededor del 2 por ciento de las cavidades tenían asociados centros silicio-vacantes. Pero los investigadores del MIT y de Harvard desarrollaron también procesos para enviar al diamante ráfagas de haces de electrones para producir más vacantes y así calentar el diamante a unos 1.000 grados Celsius, lo que provoca el movimiento de las vacantes alrededor de la red cristalina para permitir su unión con los átomos de silicio.

Una vez hubieron sometido los investigadores al diamante a estos dos procesos, el rendimiento aumentó diez veces, al 20 por ciento. En principio, repeticiones de los procesos deberían aumentar aún más el rendimiento de los centros silicio-vacantes.

Cuando los investigadores analizaron las ubicaciones de los centros silicio-vacantes, hallaron que estaban a unos 50 nanómetros de sus posiciones óptimas en el borde de la cavidad. Eso se tradujo a una luz emitida con un brillo de alrededor de un 85 o 90 por ciento de su brillo máximo, que sigue siendo muy bueno.

“Es un resultado excelente”, dice Jelena Vuckovic, profesora de ingeniería eléctrica de la Universidad de Stanford, que estudia la nanofotónica y la óptica cuántica. “Espero que la técnica pueda ser mejorada más allá de 50 nanómetros, porque una desalineación de 50 nanómetros degradaría la fuerza de la interacción luz-materia. Pero este es un paso importante en esa dirección. Y una precisión de 50 nanómetros es ciertamente mejor que no controlar la posición en absoluto, que es lo que normalmente estamos haciendo en estos experimentos, donde comenzamos con emisores posicionados aleatoriamente y luego construimos resonadores”.

Artículo original publicado por el Massachusetts Institute of Technology (MIT). Revisado y traducido por ¡QFC!

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2017-06-19T15:39:14+00:00