La ciencia cuántica tiene el potencial de revolucionar la tecnología moderna con computadoras, comunicaciones y dispositivos de detección más eficientes. Sin embargo, quedan desafíos para lograr estos objetivos tecnológicos, incluida la forma de manipular con precisión la información en los sistemas cuánticos.
En un artículo publicado en Nature Physics, un grupo de investigadores de la Universidad de Rochester, incluido John Nichol, profesor asociado de física, describe un nuevo método para controlar el giro de los electrones en los puntos cuánticos de silicio : diminutos semiconductores a nanoescala con propiedades notables. – como una forma de manipular la información en un sistema cuántico.
« Los resultados del estudio proporcionan un nuevo y prometedor mecanismo para el control coherente de qubits basado en el espín de electrones en puntos cuánticos de semiconductores, lo que podría allanar el camino para el desarrollo de una computadora cuántica práctica basada en silicio », dice Nichol.
Usando puntos cuánticos como qubits
Una computadora normal consta de miles de millones de transistores, llamados bits. Las computadoras cuánticas, por otro lado, se basan en bits cuánticos, también conocidos como qubits. A diferencia de los transistores ordinarios, que pueden ser « 0 » (apagado) o « 1 » (encendido), los qubits se rigen por las leyes de la mecánica cuántica y pueden ser « 0 » y « 1 » al mismo tiempo.
Los científicos han considerado durante mucho tiempo usar puntos cuánticos de silicio como qubits; controlar el giro de los electrones en los puntos cuánticos ofrecería una forma de manipular la transferencia de información cuántica. Cada electrón en un punto cuántico tiene magnetismo intrínseco, como una diminuta barra magnética. Los científicos llaman a esto « giro del electrón », el momento magnético asociado con cada electrón, porque cada electrón es una partícula cargada negativamente que se comporta como si estuviera girando rápidamente, y es este movimiento efectivo el que da lugar al magnetismo.
El espín de electrones es un candidato prometedor para transferir, almacenar y procesar información en la computación cuántica porque ofrece largos tiempos de coherencia y altas fidelidades de compuerta y es compatible con técnicas avanzadas de fabricación de semiconductores. El tiempo de coherencia de un qubit es el tiempo antes de que la información cuántica se pierda debido a las interacciones con un entorno ruidoso; coherencia larga significa un tiempo más largo para realizar cálculos. La alta fidelidad de la puerta significa que la operación cuántica que los investigadores están tratando de realizar se realiza exactamente como ellos quieren.
Sin embargo, un desafío importante en el uso de puntos cuánticos de silicio como qubits es controlar el giro de los electrones.
Controlando el espín del electrón
El método estándar para controlar el espín de electrones es la resonancia de espín de electrones (ESR), que consiste en aplicar campos magnéticos de radiofrecuencia oscilantes a los cúbits. Sin embargo, este método tiene varias limitaciones, incluida la necesidad de generar y controlar con precisión los campos magnéticos oscilantes en entornos criogénicos, donde se opera la mayoría de los qubits de espín de electrones. Por lo general, para generar campos magnéticos oscilantes, los investigadores envían una corriente a través de un cable y esto genera calor, lo que puede perturbar los entornos criogénicos.
Nichol y sus colegas describen un nuevo método para controlar el giro de los electrones en los puntos cuánticos de silicio que no se basa en campos electromagnéticos oscilantes. El método se basa en un fenómeno llamado « acoplamiento de valle de espín », que ocurre cuando los electrones en los puntos cuánticos de silicio hacen la transición entre diferentes estados de espín y valle. Mientras que el estado de espín de un electrón se refiere a sus propiedades magnéticas, el estado de valle se refiere a una propiedad diferente relacionada con el perfil espacial del electrón.
Los investigadores aplican un pulso de voltaje para aprovechar el efecto de acoplamiento espín-valle y manipular los estados de espín y valle, controlando el espín del electrón.
« Este método de control coherente, mediante el acoplamiento spin-valley, permite un control universal sobre los qubits y puede realizarse sin la necesidad de campos magnéticos oscilantes, que es una limitación de la ESR », dice Nichol. « Esto nos permite una nueva vía para usar puntos cuánticos de silicio para manipular información en computadoras cuánticas ».