En principio, los dispositivos cuánticos, como computadoras y sensores, podrían superar ampliamente a las tecnologías digitales convencionales para llevar a cabo muchas tareas complejas. Pero desarrollar tales dispositivos en la práctica ha sido un problema desafiante a pesar de las grandes inversiones de las empresas tecnológicas, así como de los laboratorios académicos y gubernamentales.

Las computadoras cuánticas más grandes de la actualidad solo tienen unos pocos cientos de « qubits », los equivalentes cuánticos de los bits digitales.

Ahora, los investigadores del MIT han propuesto un nuevo enfoque para hacer qubits y controlarlos para leer y escribir datos. El método, que en esta etapa es teórico, se basa en medir y controlar los espines de los núcleos atómicos, utilizando haces de luz de dos láseres de colores ligeramente diferentes. Los hallazgos se describen en un artículo publicado en la revista Physical Review X, escrito por el estudiante de doctorado del MIT Haowei Xu, los profesores Ju Li y Paola Cappellaro, y otros cuatro.

Los espines nucleares se han reconocido durante mucho tiempo como bloques de construcción potenciales para los sistemas de comunicación y procesamiento de información basados ​​en cuánticos, al igual que los fotones, las partículas elementales que son paquetes discretos, o « cuantos », de radiación electromagnética. Pero convencer a estos dos objetos cuánticos para que trabajaran juntos fue difícil porque los núcleos atómicos y los fotones apenas interactúan, y sus frecuencias naturales difieren entre seis y nueve órdenes de magnitud.

En el nuevo proceso desarrollado por el equipo del MIT, la diferencia en la frecuencia de un rayo láser entrante coincide con las frecuencias de transición del espín nuclear, empujando al espín nuclear para que cambie de dirección.

« Hemos encontrado una forma novedosa y poderosa de interconectar giros nucleares con fotones ópticos de láseres », dice Cappellaro, profesor de ciencia e ingeniería nuclear. « Este novedoso mecanismo de acoplamiento permite su control y medición, lo que ahora hace que el uso de espines nucleares como qubits sea un esfuerzo mucho más prometedor ».

El proceso es completamente sintonizable, dicen los investigadores. Por ejemplo, uno de los láseres podría ajustarse para que coincida con las frecuencias de los sistemas de telecomunicaciones existentes, convirtiendo así los espines nucleares en repetidores cuánticos para permitir la comunicación cuántica a larga distancia.

Los intentos anteriores de usar la luz para afectar los giros nucleares fueron indirectos, acoplándose en cambio a los giros de electrones que rodean ese núcleo, que a su vez afectaría al núcleo a través de interacciones magnéticas. Pero esto requiere la existencia de espines de electrones desapareados cercanos y genera ruido adicional en los espines nucleares. Para el nuevo enfoque, los investigadores aprovecharon el hecho de que muchos núcleos tienen un cuadrupolo eléctrico, lo que conduce a una interacción cuadrupolar nuclear eléctrica con el medio ambiente. Esta interacción puede verse afectada por la luz para cambiar el estado del propio núcleo.

« El espín nuclear suele interactuar bastante débilmente », dice Li. « Pero al utilizar el hecho de que algunos núcleos tienen un cuadrupolo eléctrico, podemos inducir este efecto óptico no lineal de segundo orden que se acopla directamente al espín nuclear, sin ningún espín de electrones intermedio. Esto nos permite manipular directamente el espín nuclear ».

Entre otras cosas, esto puede permitir la identificación precisa e incluso el mapeo de isótopos de materiales, mientras que la espectroscopia Raman, un método bien establecido basado en física análoga, puede identificar la química y la estructura del material, pero no los isótopos. Esta capacidad podría tener muchas aplicaciones, dicen los investigadores.

En cuanto a la memoria cuántica, los dispositivos típicos que se utilizan actualmente o se consideran para la computación cuántica tienen tiempos de coherencia, es decir, la cantidad de tiempo que la información almacenada se puede mantener intacta de manera confiable, que tienden a medirse en pequeñas fracciones de segundo. Pero con el sistema de espín nuclear, los tiempos de coherencia cuántica se miden en horas.

Dado que los fotones ópticos se utilizan para comunicaciones de larga distancia a través de redes de fibra óptica, la capacidad de acoplar directamente estos fotones a la memoria cuántica o dispositivos de detección podría proporcionar beneficios significativos en los nuevos sistemas de comunicaciones, dice el equipo. Además, el efecto podría usarse para proporcionar una forma eficiente de traducir un conjunto de longitudes de onda a otro. « Estamos pensando en usar giros nucleares para la transducción de fotones de microondas y fotones ópticos », dice Xu, y agrega que esto puede proporcionar una mayor fidelidad para dicha traducción que otros métodos.

Hasta ahora, el trabajo es teórico, por lo que el siguiente paso es implementar el concepto en dispositivos de laboratorio reales, probablemente primero en un sistema espectroscópico. « Este puede ser un buen candidato para el experimento de prueba de principio », dice Xu. Después de eso, abordarán dispositivos cuánticos como la memoria o los efectos de transducción, dice.

El equipo también incluía a Changhao Li, Guoqing Wang, Hua Wang, Hao Tang y Ariel Barr, todos del MIT.