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Inspirándose en el funcionamiento de los láseres pulsados, científicos de Francia y Japón han desarrollado una contraparte acústica que permite la transmisión precisa y controlada de electrones individuales entre nodos cuánticos.
montando las olas
El giro de un electrón puede servir como base para crear qubits, la unidad básica de información de la computación cuántica. Para procesar o almacenar esa información, es posible que la información en qubits deba transportarse entre nodos cuánticos en una red.
Una opción es transportar los electrones, algo que ahora se puede hacer haciendo que viajen en ondas de sonido. “Hace más de 10 años, lo demostramos por primera vez”, dijo el investigador principal Christopher Bauerle del Instituto Néel con sede en Grenoble.
Sin embargo, esta técnica tenía un inconveniente importante. Como cualquier onda, una onda de sonido toma una forma sinusoidal, que consta de muchos máximos y mínimos, lo que dificulta predecir la ubicación del electrón.
Bauerle y su equipo ahora han solucionado este problema mediante la ingeniería de una onda que tiene un único mínimo o un único máximo. “Usando una técnica llamada síntesis de Fourier, superpusimos muchas ondas con diferentes frecuencias de tal manera que solo había un mínimo o un máximo dependiendo de si aplicas voltaje positivo o negativo”, dijo.
Bauerle compara estas ondas de sonido concentradas con pulsos de láser. “Si desea realizar mediciones resueltas en el tiempo, excita un sistema con un pulso láser corto. Usamos una técnica similar en nuestro sistema usando sonido. Como tenemos un pulso acústico enfocado, sabemos exactamente en qué momento llegará el electrón a un nodo”, dijo.
Paulo Santos, un experto en nanoelectrónica con sede en Berlín del Instituto Paul Drude de Electrónica de Estado Sólido, compara la técnica con un surfista montando una ola. «Al igual que un surfista es transportado por una ola en un océano, el qubit de electrones monta la onda acústica de la superficie para moverse en la red cuántica», comentó Santos, que no formó parte del estudio.
Haciendo olas
Para generar estas ondas sonoras, se incrustó un chip que contenía nodos cuánticos en un cristal de arseniuro de galio unido a dos electrodos chapados en oro depositados sobre un sustrato piezoeléctrico. Se genera un campo eléctrico aplicando un voltaje alterno a estos electrodos. El campo eléctrico variable deforma el material piezoeléctrico y genera ondas acústicas superficiales. Van acompañados de un campo eléctrico en movimiento (generado por el efecto piezoeléctrico inverso) que ayuda a transportar los electrones.
Bauerle enumeró varias ventajas de este sistema, que funciona a temperaturas entre 20 miliKelvin y un Kelvin. «Los electrones se transportan entre los nodos a la velocidad del sonido (3000 m/s). Esto, junto con la forma precisa y controlada de transmisión de electrones, nos permite manipular la información cuántica en tiempo real. Si la comparas con la sistema cuántico fotónico, las manipulaciones deben hacerse de antemano porque la información se transmite a la velocidad de la luz, que es demasiado rápida para la manipulación en tiempo real», dijo.
Además, esta técnica se puede escalar potencialmente debido al gran tamaño de la forma de onda. «Una sola onda acústica puede transportar electrones de diferentes nodos cuánticos al mismo tiempo», dijo Bauerle, y agregó que lograron una eficiencia de transmisión del 99,4 por ciento durante sus experimentos.
Según Santos, la capacidad única de esta técnica para transportar con precisión qubits y manipularlos sobre la marcha en un chip podría tener varias aplicaciones distintas en el futuro. «El próximo gran paso es demostrar el entrelazamiento de estos qubits voladores. El otro gran esfuerzo será transferir esta tecnología del arseniuro de galio a otros materiales como el silicio».
Agregó, sin embargo, que podrían pasar años antes de ver aplicaciones prácticas basadas en esta investigación.
Santos destacó que los giros de electrones son solo uno de los muchos enfoques para procesar información cuántica; otras opciones incluyen fotones, qubits superconductores y átomos fríos. Señaló que los qubits de fotones seguirán siendo un enfoque principal en los sistemas cuánticos.
«Hay más personas trabajando en el procesamiento cuántico basado en fotones porque ya existe una gran infraestructura. Por ejemplo, los chips basados en silicio también tienen óptica integrada. La técnica de ‘navegación de electrones’ es compatible con la integración en el chip y puede beneficiarse de estos desarrollos», dijo, sugiriendo que los avances en uno pueden ayudar con el otro.
Revisión física X, 2022. DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031035
Dhananjay Khadilkar es un periodista residente en París.