El qubit alcanzó coherencia cuántica durante 100 nanosegundos, lo que un experto describió como un “hito importante” en la investigación de la computación cuántica.
Los científicos han construido un qubit, o bit cuántico, que puede lograr “coherencia cuántica” a temperatura ambiente, algo que normalmente sólo es posible a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Para lograr la coherencia cuántica, un estado estable en el que se pueden observar las extrañas leyes de la mecánica cuántica, los qubits normalmente deben enfriarse a menos 273 grados Celsius o sucumben a las perturbaciones y fallan, lo que se conoce como decoherencia.
Para solucionar esto, el nuevo qubit utilizó un cromóforo basado en pentaceno, una molécula de tinte que absorbe la luz y emite color, incrustado en una nueva estructura organometálica (MOF). Sus propiedades permitieron a los científicos observar brevemente la coherencia cuántica a temperatura ambiente, dijeron los científicos en un nuevo artículo publicado el 3 de enero en la revista Science Advances.
Mientras que las computadoras clásicas codifican datos en bits (expresados como 1 o 0), las computadoras cuánticas usan qubits, que pueden expresarse como una superposición de 1 y 0, lo que significa que pueden estar en ambos estados al mismo tiempo hasta que se observen físicamente.
La mayoría de los qubits físicos crean una superposición entre las posiciones de giro hacia arriba y hacia abajo de un electrón: dos estados binarios que se comportan como 1 y 0. Normalmente son una línea de metal, o un pequeño bucle, que se comporta como un átomo. Google utiliza aluminio en sus qubits, mientras que IBM utiliza una mezcla de aluminio y niobio, según Scientific American.
Múltiples qubits que codifican información a través del espín electrónico también pueden unirse mediante entrelazamiento cuántico (cuando los estados de dos o más partículas están vinculados), lo que significa que los qubits entrelazados pueden existir en muchos estados simultáneamente. Esto es lo que hace que las computadoras cuánticas sean potencialmente mucho más poderosas que las clásicas si se construyen con suficientes qubits.
Cómo funciona el nuevo tipo de qubit
Los electrones de los cromóforos pueden excitarse mediante un proceso llamado fisión singlete, en el que absorben luz y cambian sus estados de espín. En el pasado, los investigadores utilizaron la fisión singlete para crear superposición en qubits, pero solo lograron esto por debajo de -198 C, escribieron los científicos en el artículo.
Para el nuevo estudio los científicos utilizaron un cromóforo basado en el hidrocarburo pentaceno, en el que están unidos anillos pentagonales de carbono e hidrógeno. Para lograr este mismo estado cuántico a temperaturas más altas, los investigadores atraparon las moléculas del cromóforo en el MOF, un material cristalino único compuesto de iones metálicos y unido por moléculas orgánicas.
El MOF restringió casi por completo el movimiento de la molécula de tinte, ayudando a mantener los electrones excitados en un estado entrelazado. Luego, los científicos excitaron los electrones del cromóforo mediante fisión singlete exponiéndolos a pulsos de microondas. Pequeños agujeros en la estructura cristalina, conocidos como nanoporos, permitieron que los electrones giraran en un ángulo pequeño y específico, dijo en un comunicado el autor principal del estudio, Nobuhiro Yanai, profesor asociado de química en la Universidad de Kyushu.
Esta ligera rotación permitió a los electrones excitados pasar de dos pares de electrones en “estados tripletes” excitados (en los que los electrones de diferentes órbitas moleculares tienen espines paralelos) a un conjunto de cuatro electrones en el “estado quinteto” menos estable, en el que el electrón Los espines son antiparalelos, lo que significa que son paralelos pero se mueven en direcciones opuestas. En este estado de quinteto dominan las leyes de la mecánica cuántica.
Tras este proceso, los investigadores observaron la coherencia cuántica en estos cuatro electrones en estado de quinteto durante más de 100 nanosegundos a temperatura ambiente (un nanosegundo es una milmillonésima de segundo).
Buscando computadoras cuánticas a temperatura ambiente
Es la primera coherencia cuántica a temperatura ambiente de electrones en estado de quinteto entrelazados, dijo en el comunicado el coautor del estudio Yasuhiro Kobori, profesor de química en la Universidad de Kobe.
En el trabajo de seguimiento, el equipo espera crear qubits más estables agregando otras moléculas “invitadas” que restringen aún más el movimiento de los electrones, o jugando con la estructura subyacente del MOF, dijo Yanai en el comunicado.
Si bien es poco probable que la nueva investigación conduzca a la computación cuántica a temperatura ambiente en el futuro previsible, el avance se suma al trabajo que se ha realizado para construir qubits que puedan lograr coherencia cuántica a temperatura ambiente. De hecho, producir qubits estables a temperatura ambiente ha sido una esperanza durante mucho tiempo, dijo a WordsSideKick, Vlatko Vedral, profesor de ciencia de la información cuántica en la Universidad de Oxford.
Este cálculo a temperatura ambiente evitaría la necesidad de corregir errores, afirmó. Esto se debe a que, para funcionar a temperatura ambiente, los qubits, por diseño, tendrían que resistir las fuerzas disruptivas que los vuelven inestables y propensos a la decoherencia.
“En este artículo, se informan tiempos de coherencia de espín prolongados, lo que supone un avance significativo“, afirmó. “Sin embargo, no estoy seguro cómo de fácil es ampliar esto y, en particular, cómo de fácil es controlar las interacciones entre qubits. Me parece que este será el cuello de botella, ya que los qubits aislados con largos tiempos de coherencia no son de mucha utilidad para la computación cuántica.” En otras palabras, para fabricar una computadora potente, se necesitan muchos qubits para realizar cálculos.
A pesar de poner en duda la utilidad de este descubrimiento específico, Vedral lo aclamó como “un hito importante“, añadiendo que este conjunto de investigaciones es más prometedor a largo plazo que desarrollar formas de realizar la corrección de errores cuánticos.
Artículo escrito por Keumars Afifi-Sabet, editor de tecnología de Live Science.
