Gracias a investigadores de la Universidad de Basilea, Suiza, y el Centro Nacional de Competencia en Investigación (NCCR) SPIN, se ha logrado la primera interacción controlable de qubit de espín de dos orificios en un transistor de silicio convencional.
El avance abre la puerta a la integración de millones de qubits en un solo chip mediante procesos de fabricación maduros. Para que las computadoras cuánticas prácticas se conviertan en una realidad, avances como este serán esenciales.
Los Qubits forman los componentes fundamentales de una computadora cuántica y son responsables de procesar, transferir y almacenar datos. Para que una computadora cuántica funcione con precisión, los qubits deben poder almacenar información de manera confiable mientras la procesan rápidamente.
Esto requiere interacciones estables y rápidas entre muchos qubits, cuyos estados pueden manipularse y controlarse fuera del sistema. Con este fin, las computadoras cuánticas deben poder acomodar millones de qubits en un solo chip para que sean útiles en aplicaciones prácticas.
Millones de chips qubit ahora son posibles
Sin embargo, los ordenadores cuánticos más avanzados de hoy en día sólo pueden manejar unos pocos cientos de ellos. Esto significa que sólo pueden realizar cálculos que ya son posibles (y a menudo más eficientes) en las computadoras tradicionales.
Para ayudar a superar esto, la Universidad de Basilea y el equipo SPIN del NCCR han estado trabajando para resolver el problema de organizar y vincular miles de ellos. El equipo recurrió a un qubit que utiliza un electrón o el espín de un agujero (momento angular intrínseco) para hacer esto.
Estos “agujeros” son esencialmente electrones que faltan en un semiconductor. Tanto los huecos como los electrones poseen espín, que puede adoptar uno de dos estados: arriba o abajo.
En las computadoras cuánticas, estos actúan como los 0 y 1 en los bits binarios clásicos. A diferencia del espín de un electrón, el espín de un agujero puede controlarse completamente eléctricamente sin componentes adicionales como los microimanes del chip.
“Los giros de agujeros nos permiten crear puertas de dos qubits que son rápidas y de alta fidelidad. Este principio también permite acoplar un mayor número de pares de qubits”, explicó el líder del equipo, el Dr. Andreas Kuhlmann.
Un paso importante hacia la computación cuántica práctica
El acoplamiento de dos qubits de espín se logra mediante su interacción de intercambio, que ocurre cuando dos partículas indistinguibles interactúan electrostáticamente. Curiosamente, la energía de intercambio de los agujeros no sólo es controlable eléctricamente sino también fuertemente anisotrópica.
Esto se debe a algo llamado “acoplamiento de órbita de giro”, lo que significa que el movimiento de un agujero a través del espacio afecta su estado de giro. “La anisotropía hace posibles puertas de dos qubits sin el equilibrio habitual entre velocidad y fidelidad”, explica el Dr. Kuhlmann.
-“Los qubits basados en espines de agujeros no sólo aprovechan la fabricación probada de chips de silicio, sino que también son altamente escalables y han demostrado ser rápidos y robustos en experimentos”, añadió.
El estudio fue publicado en la revista Física de la naturaleza.
Resumen del estudio:
Los qubits de espín semiconductores ofrecen la posibilidad de emplear tecnología de transistores industriales para producir computadoras cuánticas a gran escala. Los qubits de espín con orificios de silicio se benefician de un control rápido de qubits totalmente eléctrico y de puntos óptimos para contrarrestar el ruido de carga y de espín nuclear.
Sin embargo, la demostración de una interacción de dos qubits sigue siendo un desafío abierto. Un factor que falta es la comprensión del acoplamiento de intercambio en presencia de una fuerte interacción espín-órbita.
Aquí estudiamos dos qubits de espín hueco en un transistor de efecto de campo con aletas de silicio, el dispositivo caballo de batalla de la industria de semiconductores actual. Demostramos la sintonizabilidad eléctrica del intercambio que se divide desde más de 500 MHz hasta casi cerrado y realizamos un giro condicional en 24 ns.
El intercambio es anisotrópico debido a la interacción espín-órbita. Al hacer un túnel de un punto cuántico a otro, el giro gira casi 180 grados.
El hamiltoniano de intercambio ya no tiene la forma de Heisenberg y puede diseñarse de manera que permita puertas de rotación controladas por dos qubits sin tener que sacrificar velocidad y fidelidad.
Este comportamiento ideal se aplica a una amplia gama de orientaciones del campo magnético, lo que hace que el concepto sea sólido con respecto a las variaciones de un qubit a otro, lo que indica que es un enfoque adecuado para realizar una computadora cuántica a gran escala.
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ACERCA DEL EDITOR
Christopher McFadden Christopher se graduó en la Universidad de Cardiff en 2004 con una Maestría en Geología. Desde entonces, ha trabajado exclusivamente en las industrias de Medio Ambiente Construido, Seguridad y Salud Ocupacional y Consultoría Ambiental. Es un consultor energético calificado y acreditado, asesor de Green Deal y miembro profesional de IEMA. Los principales intereses de Chris van desde la ciencia y la ingeniería, la historia antigua y militar hasta la política y la filosofía.
