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Esta cámara de vacío con aberturas para varios rayos láser se utilizó para enfriar moléculas de sodio-potasio a temperaturas de unos pocos cientos de nanoKelvins, o billonésimas de grado por encima del cero absoluto. Tales moléculas podrían ser usadas como un nuevo tipo de qubit, un bloque de construcción para los eventuales ordenadores cuánticos.

El nuevo enfoque proporciona configuraciones duraderas que podrían proporcionar el material “qubit” buscado desde hace mucho tiempo.

Los investigadores han dado un importante paso hacia la meta tan buscada de una computadora cuántica, que en teoría debería ser capaz de cálculos mucho más rápidos que las computadoras convencionales, para ciertos tipos de problemas. El nuevo trabajo muestra que las colecciones de moléculas ultrafinas pueden retener la información almacenada en ellas, durante cientos de veces más de lo que los investigadores han alcanzado previamente en estos materiales.

Estas moléculas de dos átomos están hechas de sodio y potasio y se enfriaron a temperaturas de sólo unos diez millones de grados por encima del cero absoluto (medido en cientos de nanokelvins, o nK). Los resultados se describen en un informe esta semana en Science , de Martin Zwierlein, un profesor de física del MIT y un investigador principal en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT; Jee Woo Park, ex estudiante de posgrado del MIT; Sebastian Will, ex investigador del MIT y ahora profesor asistente en la Universidad de Columbia, y otros dos, todos en el MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Se están estudiando muchos enfoques diferentes como formas posibles de crear qubits, los bloques básicos de construcción de computadoras cuánticas de teoría larga, pero aún no completamente realizadas. Los investigadores han intentado utilizar materiales superconductores, iones sostenidos en trampas de iones, o átomos neutrales individuales, así como moléculas de complejidad variable. El nuevo enfoque utiliza un grupo de moléculas muy simples hechas de sólo dos átomos.

“Las moléculas tienen más ‘manijas’ que átomos”, dice Zwierlein, lo que significa más formas de interactuar entre sí y con influencias externas. “Pueden vibrar, pueden girar, y de hecho pueden interactuar fuertemente entre sí, lo que los átomos tienen dificultades para hacer. Típicamente, los átomos tienen que realmente encontrarse uno al otro, estar uno encima del otro casi, antes de ver que hay otro átomo para interactuar, mientras que las moléculas pueden verse “en intervalos relativamente largos. “Para hacer que estos qubits hablen entre sí y realicen cálculos, usar moléculas es una idea mucho mejor que usar átomos”, dice.

El uso de este tipo de moléculas de dos átomos para el procesamiento de información cuántica “había sido sugerido hace algún tiempo”, dice Park, “y este trabajo demuestra el primer paso experimental hacia la realización de esta nueva plataforma, que es que la información cuántica se puede almacenar en moléculas dipolares Por largos tiempos “.

“Lo más sorprendente es que estas moléculas son un sistema que puede permitir realizar el almacenamiento y el procesamiento de la información cuántica utilizando el mismo sistema físico”, dice Will. “Ese es realmente un rasgo bastante raro que no es típico en todos los sistemas de qubit que se consideran sobre todo hoy.”

En las pruebas de laboratorio iniciales del equipo de prueba de principios, unos pocos miles de las moléculas simples estaban contenidas en un microscópico soplo de gas, atrapado en la intersección de dos rayos láser y enfriado a ultracold temperaturas de alrededor de 300 nanokelvins. “Cuantos más átomos tengas en una molécula, más difícil es enfriarlos”, dice Zwierlein, por lo que eligieron esta simple estructura de dos átomos.

Las moléculas tienen tres características clave: rotación, vibración y la dirección de giro de los núcleos de los dos átomos individuales. Para estos experimentos, los investigadores obtuvieron las moléculas bajo perfecto control en términos de las tres características, es decir, en el estado más bajo de vibración, rotación y alineación de espín nuclear.

“Hemos sido capaces de atrapar moléculas durante mucho tiempo, y también demostrar que pueden llevar la información cuántica y mantenerla durante mucho tiempo”, dice Zwierlein. Y eso, dice, es “uno de los avances clave o hitos que uno tiene que tener antes de la esperanza de construir una computadora cuántica, lo cual es un esfuerzo mucho más complicado”.

El uso de moléculas de sodio y potasio proporciona una serie de ventajas, dice Zwierlein. Por una parte, “la molécula es químicamente estable, por lo que si una de estas moléculas se encuentra con otra, no se separan”.

En el contexto de la computación cuántica, el “largo tiempo” al que Zwierlein se refiere es de un segundo – que es “de hecho del orden de mil veces más largo que un experimento comparable que se ha hecho” usando la rotación para codificar el qubit, dice . “Sin medidas adicionales, ese experimento dio un milisegundo, pero esto ya era genial”. Con el método de este equipo, la estabilidad inherente del sistema significa que “se obtiene un segundo completo de forma gratuita”.

Eso sugiere, aunque queda por probar, que tal sistema sería capaz de llevar a cabo miles de cálculos cuánticos, conocidos como puertas, en secuencia dentro de ese segundo de coherencia. Los resultados finales podrían ser “leídos” ópticamente a través de un microscopio, revelando el estado final de las moléculas.

“Tenemos fuertes esperanzas de que podamos hacer una llamada puerta -que es una operación entre dos de estos qubits, como suma, resta o ese tipo de equivalente- en una fracción de milisegundo”, dice Zwierlein. “Si nos fijamos en la proporción, se podría esperar hacer 10.000 a 100.000 operaciones de puerta en el tiempo que tenemos la coherencia en la muestra. Eso se ha declarado como uno de los requisitos para una computadora cuántica, tener ese tipo de relación de operaciones de puerta a tiempos de coherencia “.

“El próximo gran objetivo será” hablar “a las moléculas individuales. Entonces estamos realmente hablando de información cuántica “, dice Will. “Si podemos atrapar una molécula, podemos atrapar dos. Y entonces podemos pensar en implementar una ‘operación de puerta cuántica’ – un cálculo elemental – entre dos qubits moleculares que se sientan uno al lado del otro “, dice.

Utilizando una matriz de tal vez 1,000 de tales moléculas, Zwierlein dice, haría posible llevar a cabo cálculos tan complejos que ninguna computadora existente podría comenzar a comprobar las posibilidades. Aunque subraya que este es todavía un paso temprano y que tales computadoras podrían estar a una década o más lejos, en principio tal dispositivo podría solucionar rápidamente problemas actualmente intratables tales como factoring números muy grandes – un proceso cuya dificultad forma la base del mejor de hoy Sistemas de cifrado para transacciones financieras.

Además de la computación cuántica, el nuevo sistema también ofrece el potencial para una nueva forma de realizar mediciones de precisión y química cuántica, dice Zwierlein.

“Estos resultados son realmente el estado del arte”, dice Simon Cornish, profesor de física en la Universidad de Durham en el Reino Unido, que no participó en este trabajo. Los hallazgos “revelan maravillosamente el potencial de explotar estados de spin nuclear en moléculas ultracongresas para aplicaciones en el procesamiento de información cuántica, como memorias cuánticas y como un medio para investigar interacciones dipolares y colisiones ultrafinas en moléculas polares”, dice. “Creo que los resultados constituyen un gran paso adelante en el campo de las moléculas ultracold y será de gran interés para la gran comunidad de investigadores que exploran aspectos relacionados de la ciencia cuántica, la coherencia, la información cuántica y la simulación cuántica”.

El equipo también incluyó al estudiante graduado del MIT, Zoe Yan, y al postdoc, Huanqian Loh. El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos y la Fundación David y Lucile Packard.

Fuente: MIT News

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