Nuevo diseño de ordenador cuántico usa imanes para conectar qubits

Investigadores han comenzado a utilizar imanes para entrelazar qubits, los componentes básicos de las computadoras cuánticas. Creen que esta sencilla técnica podría desbloquear capacidades complejas.

Cuando se presiona un botón para abrir la puerta de un garaje, no se abren todas las puertas de garaje del vecindario. Esto se debe a que el abridor y la puerta se comunican mediante una frecuencia de microondas específica, una frecuencia que ninguna otra puerta cercana utiliza.

Investigadores del Argonne National Laboratory, la Universidad de Chicago, la Universidad de Iowa y la Universidad de Tohoku en Japón han comenzado a desarrollar dispositivos que podrían utilizar los mismos principios (enviar señales a través de imanes en lugar de a través del aire) para conectar qubits individuales a través de un chip, como se informa en un nuevo artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Esta es una prueba de concepto, a temperatura ambiente, de una tecnología cuántica robusta y escalable que utiliza materiales convencionales", dijo en un comunicado David Awschalom, profesor de ingeniería molecular y física y director de Q-NEXT, un centro de desarrollo cuántico en Argonne. "La belleza de este experimento está en su simplicidad y en el uso de tecnología bien establecida para diseñar y, en última instancia, entrelazar dispositivos cuánticos", agregó.

Conectar qubits mediante entrelazamiento cuántico es necesario para construir una computadora cuántica, pero a menudo puede resultar complicado. Con los centros de vacantes de nitrógeno (NV, por sus siglas en inglés) (defectos en los diamantes que pueden usarse como qubits), el desafío es que, para poder comunicarse entre sí, deben estar muy, muy cerca unos de otros. La interacción cuántica normal entre centros NV tiene un alcance máximo de sólo unos pocos nanómetros (una milésima parte del ancho de un cabello) y cuando los centros NV están tan juntos, no se pueden diseñar en una configuración útil.

"Es necesario poder conseguir cosas allí para conectar cables y crear un dispositivo", dijo Michael Flatté, profesor de física y astronomía en la Universidad de Iowa, quien contribuyó al trabajo. Flatté también es el científico jefe de la empresa de tecnología cuántica QuantCAD LLC, socio corporativo de Chicago Quantum Exchange. "Y los nanómetros están demasiado cerca para eso".

Hace dos años, Flatté y sus colaboradores publicaron un artículo teórico que proponía utilizar un material magnético para establecer una conexión cuántica entre centros NV para que pudieran entrelazarse mientras estaban más separados. La interacción normal entre dos centros NV implica microondas. En este dispositivo propuesto, el imán recibe las microondas del centro NV y las transmite vía "magnon" al NV del otro lado.

En un imán, los espines de todos los electrones de su interior apuntan en la misma dirección, como tallos de grano, todos apuntando hacia arriba. Un magnón es una ligera perturbación ondulatoria a través de esos espines, como una onda que el viento provocaría en un campo de grano. Los magnones pueden llegar mucho más lejos que los nanómetros; de hecho, incluso mil veces más lejos, hasta muchos micrómetros.

"La escala micrométrica es bastante interesante porque es la escala típica de muchos dispositivos electrónicos integrados, como los transistores de silicio en un chip de computadora", dijo Flatté. "Entonces, si fabricaras cosas de ese tamaño, entonces podrías obtener una cantidad razonable de ellas en un chip".

Conectar qubits del centro NV con imanes también permite una interacción selectiva: si dos qubits en la computadora cuántica hablaran a una frecuencia ligeramente diferente, podrían entrelazarse sin molestar ni verse afectados por los otros qubits, incluso si hubiera otros qubits entre ellos. Esta capacidad es extremadamente importante para el tipo de trabajo complejo que los científicos quieren que realicen las computadoras cuánticas.

Este experimento de Awschalom y sus colaboradores verificó con éxito que el centro NV podía "hablar" con el material magnético, transmitiendo sus microondas como un magnón. Además, las cifras coincidieron casi perfectamente con lo que se predijo en el artículo teórico de hace dos años.

Ahora que han establecido que el centro NV puede comunicarse con el imán, el siguiente paso es colocar otro centro NV en el otro lado y ver si el imán puede mediar en una conexión cuántica entre los dos.