Física

Bloque básico estable para la computación cuántica, en el diamante.


(NC&T) Los resultados podrían revolucionar el enfoque con el que los científicos abordan la computación cuántica, basada en las peculiaridades de la mecánica cuántica, y que quizá algún día no muy lejano supere a las supercomputadoras convencionales en la tarea de resolver ciertos problemas.

Los primeros adelantos en la computación cuántica se consiguieron al vacío, en espacios refrigerados hasta temperaturas de meras fracciones de grado sobre el cero absoluto. Los bits cuánticos individuales, o qubits, los bloques básicos de una computadora cuántica, codifican la información de modo bastante similar a como los bits de un ordenador convencional almacenan información bajo la forma de ceros y unos. Sin embargo, los qubits son muy frágiles. Suelen desvanecerse muy rápido, perdiéndose la información cuántica en una pequeña fracción de segundo, a menos que el qubit esté suspendido en un vacío muy estricto y bajo condiciones especiales. Este corto "tiempo de coherencia" ha sido un gran impedimento para hacer progresos en la computación cuántica.

La mecánica cuántica decreta que la coherencia se destruye, y por tanto la información cuántica se pierde, a través del contacto con casi cualquier cosa. Ese es el motivo de que los esfuerzos anteriores para obtener computación cuántica hayan tenido que realizarse bajo esas circunstancias extremas. Esta necesidad del aislamiento absoluto del espacio de operación ha entorpecido el trabajo de los científicos durante más de una década, no sólo porque es difícil de lograr experimentalmente (y no digamos en un ordenador que pretenda ser práctico) sino también porque ha puesto en serios aprietos la capacidad para manipular la entrada de datos de una computadora cuántica o de leer sus resultados.

Este nuevo adelanto utiliza las propiedades de los espines de los núcleos atómicos, componentes fundamentales de la materia con dimensiones subnanométricas, para codificar los bits cuánticos. Actuando como diminutos imanes, los espines nucleares son bien conocidos por su estabilidad excepcional. El problema consiste en que lo que dota de tanta estabilidad al espín nuclear (su débil interacción con su entorno) también impide manipularlo directamente. ¿Cómo controlar algo con lo que no se puede interactuar?

Computación cuántica
Mikhail D. Lukin ha participado en los experimentos. (Foto: Rose Lincoln/Harvard News Office)
Debe poder hacerse, según los físicos de Harvard, indirectamente. Ellos han encontrado que los espines nucleares asociados con átomos individuales de carbono-13, que constituye alrededor del 1,1 por ciento del diamante natural, pueden manipularse a través de un solo electrón cercano, cuyo propio espín puede ser controlado con radiaciones ópticas y de microondas. La excitación de un electrón mediante un haz de luz láser que sea enfocado sobre cierto tipo de defecto estable en la red cristalina del diamante, donde un átomo de nitrógeno reemplaza a uno de carbono y desarrolla un espín electrónico en su estado energético más bajo, hace que el espín de un único electrón actúe como una sonda magnética muy sensible con una resolución espacial extraordinaria.

Utilizando esta estrategia, un espín nuclear de un átomo de carbono-13 se enfría, sin necesidad de recurrir a procedimientos aparatosos, hasta llegar cerca del cero absoluto, creando en el proceso un solo bit cuántico aislado con un tiempo de coherencia que se aproxima a los segundos. La interacción controlada entre el espín del electrón y el espín del núcleo atómico permite al último ser empleado como una memoria cuántica muy robusta.


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