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Científicos de Harvard han logrado por primera vez atrapar moléculas ultra frías para realizar operaciones cuánticas usándolas como qubits, la unidad elemental de información cuántica.
Las moléculas no se habían utilizado antes en computación cuántica, a pesar de que tienen el potencial de hacer que la tecnología experimental de ultraalta velocidad sea aún más rápida. Sus ricas estructuras internas se consideraban demasiado complicadas, demasiado delicadas, demasiado impredecibles para manejar, por lo que se han utilizado partículas más pequeñas.
Los hallazgos, publicados en la revista Nature, abren nuevos reinos de posibilidades para aprovechar la complejidad de las estructuras moleculares para futuras aplicaciones, según los autores.
“Como campo, hemos estado tratando de hacer esto durante 20 años”, dijo en un comunicado el coautor principal Kang-Kuen Ni, profesor de química y profesor de física de Theodore William Richards. “Y finalmente hemos podido hacerlo”.
Los físicos e ingenieros han estado trabajando para desarrollar la computación cuántica durante varias décadas. La tecnología, que explota aspectos de la mecánica cuántica para la computación, promete velocidades exponencialmente más rápidas que las de las computadoras clásicas, lo que podría permitir avances revolucionarios en campos como la medicina, la ciencia y las finanzas.
Dominando el mundo de la computación cuántica están los experimentos con iones atrapados, átomos neutros y circuitos superconductores. En estos sistemas, se pueden atrapar partículas individuales diminutas de manera confiable para que actúen como cúbits y formen puertas lógicas cuánticas. El artículo del equipo de Harvard detalla el proceso mucho más complicado que implica el uso de moléculas para formar una puerta iSWAP, un circuito cuántico clave que crea entrelazamiento, la misma propiedad que hace que la computación cuántica sea tan poderosa.
Los investigadores comenzaron atrapando moléculas de sodio-cesio (NaCs) con pinzas ópticas en un entorno estable y extremadamente frío. Luego, se utilizaron las interacciones eléctricas dipolo-dipolo (o positivo-negativo) entre las moléculas para realizar una operación cuántica. Al controlar cuidadosamente la rotación de las moléculas entre sí, el equipo logró entrelazar dos moléculas, creando un estado cuántico conocido como estado de Bell de dos qubits con una precisión del 94 por ciento.
Las puertas lógicas permiten procesar información en computadoras cuánticas de la misma manera que lo hacen en las computadoras tradicionales. Pero mientras que las puertas clásicas manipulan bits binarios (0 y 1), las puertas cuánticas operan sobre qubits, que pueden lograr lo que se denomina superposiciones, existiendo en múltiples estados simultáneamente. Eso significa que las computadoras cuánticas pueden hacer cosas que serían imposibles para las máquinas tradicionales, como crear estados entrelazados en primer lugar, o incluso realizar operaciones en múltiples estados computacionales a la vez.
Las puertas cuánticas también son reversibles y capaces de manipular cúbits con precisión al mismo tiempo que preservan su naturaleza cuántica. La puerta iSWAP utilizada en este experimento intercambió los estados de dos cúbits y aplicó lo que se denomina un cambio de fase, un paso esencial para generar entrelazamiento donde los estados de dos cúbits se correlacionan independientemente de la distancia entre ellos.
“Nuestro trabajo marca un hito en la tecnología de moléculas atrapadas y es el último bloque de construcción necesario para construir una computadora cuántica molecular“, dijo la coautora y becaria postdoctoral Annie Park. “Las propiedades únicas de las moléculas, como su rica estructura interna, ofrecen muchas oportunidades para hacer avanzar estas tecnologías”.
Los científicos trabajan desde la década de 1990 en aprovechar los sistemas moleculares, con sus espines nucleares y técnicas de resonancia magnética nuclear, para la computación cuántica. Una serie de experimentos iniciales mostraron resultados alentadores, pero las moléculas demostraron ser generalmente inestables para su uso en operaciones cuánticas debido a sus movimientos impredecibles. Eso puede interferir con la coherencia, el delicado estado cuántico necesario para operaciones confiables.
Pero atrapar moléculas en entornos ultra fríos, donde se pueden controlar las intrincadas estructuras internas de la molécula, ayuda a superar este obstáculo. Una vez que sujetaron estas moléculas con pinzas ópticas, con láseres enfocados con precisión para controlar objetos diminutos, los investigadores pudieron minimizar el movimiento de las moléculas y manipular sus estados cuánticos.
Para evaluar toda la operación, el equipo de investigación midió el estado de Bell de dos qubits resultante y estudió los errores causados por cualquier movimiento que se produjera. Esto les proporcionó ideas para mejorar la estabilidad y la precisión de su configuración en futuros experimentos. Cambiar entre estados interactuantes y no interactuantes también permitió a los investigadores digitalizar su experimento, lo que proporcionó información adicional.
“Hay mucho espacio para innovaciones y nuevas ideas sobre cómo aprovechar las ventajas de la plataforma molecular”, dijo Ni. “Estoy emocionado por ver qué surge”.