Una plataforma informática de tres qubits está hecha de espines electrónicos

Reeditado por Platón

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Qubits de espín electrónico — Plataforma de múltiples qubits: en este diagrama, una punta STM recubierta con hierro (arriba) opera el qubit de giro del sensor. También se muestran los qubits de espín remotos, que están alineados por los campos magnéticos de los átomos de hierro cercanos. (Cortesía: Instituto de Ciencias Básicas)

Investigadores de Corea del Sur han creado una plataforma de computación cuántica que es capaz de operar simultáneamente múltiples bits cuánticos basados en espín (qubits). Diseñada por Yujeong Bae, Phark Soo Hyon, andres heinrich y colegas del Instituto de Ciencias Básicas de Seúl, el sistema se ensambla átomo por átomo utilizando un microscopio de efecto túnel (STM).

Si bien las computadoras cuánticas del futuro deberían poder superar a las computadoras convencionales en ciertas tareas, los incipientes procesadores cuánticos de hoy son todavía demasiado pequeños y ruidosos para realizar cálculos prácticos. Se debe hacer mucho más para crear plataformas qubit viables que puedan retener información durante el tiempo suficiente para que las computadoras cuánticas sean viables.

Los qubits ya se han desarrollado utilizando varias tecnologías diferentes, incluidos circuitos de supercomputación e iones atrapados. Algunos físicos también están interesados en crear qubits utilizando los espines de electrones individuales, pero esos qubits no son tan avanzados como algunos de sus homólogos. Sin embargo, eso no significa que los qubits basados en espín estén fuera de juego.

"En este momento, todas las plataformas existentes para la computación cuántica tienen grandes inconvenientes, por lo que es imperativo investigar nuevos enfoques", explica Heinrich.

Montaje preciso

Para crear un procesador viable basado en espín, los qubits deben ensamblarse con precisión, acoplarse de manera confiable y operarse de manera cuánticamente coherente, todo en la misma plataforma. Esto es algo que hasta ahora ha eludido a los investigadores, según el equipo con sede en Seúl.

Los investigadores crearon su plataforma multi-qubit con la ayuda de un STM, que es una poderosa herramienta para obtener imágenes y manipular materia a escalas atómicas. Cuando la punta conductora de un STM se acerca mucho a la superficie de una muestra, los electrones pueden hacer un túnel de mecánica cuántica entre la punta y la superficie de la muestra.

Dado que la probabilidad de formación de túneles depende en gran medida de la distancia entre la punta y la superficie, un STM puede trazar la topografía a nanoescala de la muestra midiendo la corriente de estos electrones de túnel. Los átomos individuales en la superficie también se pueden manipular y ensamblar empujándolos mediante las fuerzas a nanoescala aplicadas por la punta.

Utilizando estas capacidades, el equipo ha "demostrado la primera plataforma qubit con precisión a escala atómica", según Heinrich. "Se basa en los espines de los electrones sobre superficies, que pueden colocarse a distancias atómicamente precisas entre sí".

cúbit sensor

Utilizando STM, los investigadores ensamblaron su sistema en la superficie prístina de una película bicapa de óxido de magnesio. El sistema incluye un qubit "sensor", que es un átomo de titanio de 1/2 espín que se encuentra directamente debajo de la punta del STM. La punta está recubierta de átomos de hierro, lo que significa que se puede utilizar para aplicar un campo magnético local (ver figura).

A cada lado de la punta hay un par de qubits "remotos", también átomos de titanio de espín 1/2. Estos se colocan a distancias precisas del qubit sensor, fuera de la región donde puede ocurrir la formación de túneles de electrones entre átomos.

Para controlar los qubits remotos simultáneamente con el qubit sensor, el equipo creó un gradiente de campo magnético colocando átomos de hierro cerca. Los átomos de hierro se comportan como imanes de un solo átomo porque sus tiempos de relajación de espín superan con creces los tiempos de funcionamiento de los qubits individuales.

De esta manera, cada uno de los átomos de hierro actúa como sustituto de la punta STM al proporcionar un campo magnético local estático para alinear los espines de cada qubit remoto. Las transiciones entre los estados de espín de los qubits se realizan utilizando la punta STM para aplicar pulsos de radiofrecuencia al sistema, una técnica llamada resonancia de espín electrónico.

Dirigido y manipulado

El equipo inicializó sus qubits enfriándolos a 0.4 K, luego aplicó un campo magnético externo para llevarlos al mismo estado de giro y acoplarlos. Posteriormente, el estado del qubit del sensor dependía de manera confiable de los estados de ambos qubits remotos, pero aún podía ser direccionado y manipulado individualmente por la punta STM.

El resultado general fue una plataforma de qubits completamente nueva que permitía operar varios qubits simultáneamente. "Nuestro estudio ha logrado puertas de un solo qubit, dos qubit y tres qubit con buena coherencia cuántica", dice Heinrich.

Agrega que “la plataforma tiene sus pros y sus contras. Las ventajas son que es atómicamente preciso y, por lo tanto, se puede duplicar fácilmente. En cuanto a las desventajas, la coherencia cuántica es buena, pero debe mejorarse aún más”.

Si se pueden superar estos desafíos, Heinrich y sus colegas ven un futuro brillante para su sistema.

"Creemos que este enfoque puede ampliarse con relativa facilidad a decenas de qubits de electrones", afirma Heinrich. “Esos espines de electrones también pueden acoplarse de forma controlable a espines nucleares, lo que podría permitir una corrección eficiente de errores cuánticos y aumentar el espacio de Hilbert disponible para operaciones cuánticas. ¡Acabamos de arañar la superficie!”

La investigación se describe en Ciencia:.