La nueva plataforma qubit podría transformar la ciencia y la tecnología de la información cuántica.

Sin duda, está viendo este artículo en un dispositivo digital cuya unidad básica de información es el bit, ya sea 0 o 1. Los científicos de todo el mundo están compitiendo para desarrollar un nuevo tipo de computadora basada en el uso de bits cuánticos o qubits.

En un artículo reciente de Nature, un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) anunció la creación de una nueva plataforma qubit formada por la congelación de gas neón en un sólido a temperaturas muy bajas, rociando electrones del filamento de una bombilla. sobre el sólido, y atrapando un solo electrón allí. Este sistema muestra una gran promesa para convertirse en bloques de construcción ideales para futuras computadoras cuánticas.

Para realizar una computadora cuántica útil, los requisitos de calidad para los qubits son extremadamente exigentes. Si bien existen varias formas de qubits en la actualidad, ninguna de ellas es ideal.

¿Qué haría un qubit ideal? Tiene al menos tres cualidades excelentes, según Dafei Jin, científico de Argonne e investigador principal del proyecto.

Puede permanecer en un estado 0 y 1 simultáneo (¡recuerde el gato ! ) durante mucho tiempo. Los científicos llaman a esto «coherencia» larga. Lo ideal sería que ese tiempo rondara el segundo, un paso de tiempo que podemos percibir en un reloj de casa en nuestro día a día.

En segundo lugar, el qubit se puede cambiar de un estado a otro en poco tiempo. Idealmente, ese tiempo sería alrededor de una milmillonésima de segundo (nanosegundo), un paso de tiempo de un reloj de computadora clásico.

En tercer lugar, el qubit se puede vincular fácilmente con muchos otros qubits para que puedan funcionar en paralelo entre sí. Los científicos se refieren a este vínculo como entrelazamiento.

Aunque en la actualidad los conocidos qubits no son los ideales, empresas como IBM, Intel, Google, Honeywell y muchas startups han elegido su favorito. Están persiguiendo agresivamente la mejora tecnológica y la comercialización.

«Nuestro ambicioso objetivo no es competir con esas empresas, sino descubrir y construir un sistema qubit fundamentalmente nuevo que pueda conducir a una plataforma ideal», dijo Jin.

Si bien hay muchas opciones de tipos de qubit, el equipo eligió la más simple : un solo electrón. Calentar un filamento de luz simple que puede encontrar en el juguete de un niño puede disparar fácilmente un suministro ilimitado de electrones.

Uno de los desafíos para cualquier qubit, incluido el electrón, es que es muy sensible a las perturbaciones de su entorno. Por lo tanto, el equipo eligió atrapar un electrón en una superficie de neón sólido ultrapuro en el vacío.

El neón es uno de un puñado de elementos inertes que no reaccionan con otros elementos. «Debido a esta inercia, el neón sólido puede servir como el sólido más limpio posible en el vacío para albergar y proteger cualquier cúbit de la interrupción», dijo Jin.

Un componente clave en la plataforma qubit del equipo es un resonador de microondas a escala de chip hecho de un superconductor. (El horno de microondas doméstico, mucho más grande, también es un resonador de microondas). Los superconductores (metales sin resistencia eléctrica) permiten que los electrones y los fotones interactúen entre sí casi al cero absoluto con una pérdida mínima de energía o información.

«El resonador de microondas proporciona de manera crucial una forma de leer el estado del qubit», dijo Kater Murch, profesora de física en la Universidad de Washington en St. Louis y coautora principal del artículo. «Concentra la interacción entre el qubit y la señal de microondas. Esto nos permite realizar mediciones que indican qué tan bien funciona el qubit».

«Con esta plataforma, logramos, por primera vez, un fuerte acoplamiento entre un solo electrón en un entorno de vacío cercano y un solo fotón de microondas en el resonador», dijo Xianjing Zhou, designado postdoctoral en Argonne y el primer autor de el papel. «Esto abre la posibilidad de usar fotones de microondas para controlar cada qubit de electrones y vincular muchos de ellos en un procesador cuántico», agregó Zhou.

El equipo probó la plataforma en un instrumento científico llamado refrigerador de dilución, que puede alcanzar temperaturas tan bajas como apenas 10 miligrados por encima del cero absoluto. Este instrumento es una de las muchas capacidades cuánticas en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

El equipo realizó operaciones en tiempo real con un qubit de electrones y caracterizó sus propiedades cuánticas. Estas pruebas demostraron que el neón sólido proporciona un entorno robusto para el electrón con un ruido eléctrico muy bajo para perturbarlo. Lo que es más importante, el qubit alcanzó tiempos de coherencia en el estado cuántico competitivos con los qubits de última generación.

«Nuestros qubits son en realidad tan buenos como los que la gente ha estado desarrollando durante 20 años», dijo David Schuster, profesor de física en la Universidad de Chicago y coautor principal del artículo. «Esta es solo nuestra primera serie de experimentos. Nuestra plataforma qubit no está optimizada. Continuaremos mejorando los tiempos de coherencia. Y debido a que la velocidad de operación de esta plataforma qubit es extremadamente rápida, solo varios nanosegundos, la promesa de escalarla a muchos qubits entrelazados es significativo».

Todavía hay una ventaja más para esta notable plataforma qubit. «Gracias a la relativa simplicidad de la plataforma de electrones sobre neón, debería prestarse a una fabricación fácil a bajo costo», dijo Jin. «Parecería que un qubit ideal puede estar en el horizonte».

El equipo publicó sus hallazgos en un artículo de Nature titulado «Electrones individuales en neón sólido como plataforma qubit de estado sólido». Además de Jin y Zhou, los colaboradores de Argonne incluyen a Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li y Ralu Divan. Además de David Schuster, los colaboradores de la Universidad de Chicago también incluyen a Brennan Dizdar. Además de Kater Murch de la Universidad de Washington en St. Louis, otros investigadores incluyen a Wei Guo de la Universidad Estatal de Florida, Gerwin Koolstra del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y Ge Yang del Instituto de Tecnología de Massachusetts.

El financiamiento para la investigación de Argonne provino principalmente de la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía del DOE, el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de Argonne y la Fundación Julian Schwinger para la Investigación Física.