Ingenieros de Caltech han desarrollado un enfoque para el almacenamiento cuántico que podría ayudar a allanar el camino para el desarrollo de redes cuánticas ópticas a gran escala.
El nuevo sistema se basa en espines nucleares, el momento angular del núcleo de un átomo, que oscilan colectivamente como una onda de espín. Esta oscilación colectiva encadena efectivamente varios átomos para almacenar información.
El trabajo, que se describe en un artículo publicado el 16 de febrero en la revista Nature, utiliza un bit cuántico (o qubit) hecho de un ion de iterbio (Yb), un elemento de tierras raras que también se usa en los láseres.
El equipo, dirigido por Andrei Faraon, profesor de física aplicada e ingeniería eléctrica, incrustó el ion en un cristal transparente de ortovanadato de itrio (YVO4) y manipuló sus estados cuánticos a través de una combinación de campos ópticos y de microondas. Luego, el equipo usó el Yb qubit para controlar los estados de espín nuclear de múltiples átomos de vanadio circundantes en el cristal.
«Según nuestro trabajo anterior, se sabía que los iones de iterbio individuales eran excelentes candidatos para las redes cuánticas ópticas, pero necesitábamos vincularlos con átomos adicionales. Lo demostramos en este trabajo», dice Faraón en un comunicado.
El dispositivo se fabricó en el Instituto de Nanociencia Kavli en Caltech y luego se probó a temperaturas muy bajas en el laboratorio de Faraón.
Una nueva técnica para utilizar espines nucleares entrelazados como memoria cuántica se inspiró en los métodos utilizados en la resonancia magnética nuclear (RMN).
«Para almacenar información cuántica en espines nucleares, desarrollamos nuevas técnicas similares a las empleadas en las máquinas de RMN que se usan en los hospitales», dice Joon Hee Choi, becario postdoctoral en Caltech y coautor del artículo. «El principal desafío fue adaptar las técnicas existentes para trabajar en ausencia de un campo magnético».
Una característica única de este sistema es la ubicación predeterminada de los átomos de vanadio alrededor del qubit de iterbio según lo prescrito por la red cristalina. Cada qubit que midió el equipo tenía un registro de memoria idéntico, lo que significa que almacenaría la misma información.
«La capacidad de construir una tecnología de manera reproducible y confiable es clave para su éxito», dice el estudiante graduado Andrei Ruscus, primer autor del artículo. «En el contexto científico, esto nos permitió obtener una visión sin precedentes de las interacciones microscópicas entre los qubits de iterbio y los átomos de vanadio en su entorno».
Esta investigación es parte de un esfuerzo más amplio del laboratorio de Faraón para sentar las bases de futuras redes cuánticas.
Las redes cuánticas conectarían computadoras cuánticas a través de un sistema que opera a un nivel cuántico, en lugar de clásico. En teoría, las computadoras cuánticas algún día podrían realizar ciertas funciones más rápido que las computadoras clásicas al aprovechar las propiedades especiales de la mecánica cuántica, incluida la superposición, que permite que los bits cuánticos almacenen información como un 1 y un 0 simultáneamente.
Como pueden hacer con las computadoras clásicas, a los ingenieros les gustaría poder conectar varias computadoras cuánticas para compartir datos y trabajar juntas, creando una «internet cuántica». Esto abriría la puerta a varias aplicaciones, incluida la capacidad de resolver cálculos que son demasiado grandes para ser manejados por una sola computadora cuántica, así como el establecimiento de comunicaciones inquebrantablemente seguras utilizando criptografía cuántica.
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