Todo lo que debes saber del computador cuántico perfecto

Pero transferir información y corregir errores dentro de un sistema cuántico sigue siendo un desafío para hacer computadoras cuánticas efectivas.

En un artículo en la revista Nature, investigadores de la Universidad de Purdue y la Universidad de Rochester, incluidos John Nichol, profesor asistente de física, y los estudiantes de doctorado de Rochester, Yadav P. Kandel y Haifeng Qiao, demuestran su método de transmisión de información mediante la transferencia del estado. de electrones.

La investigación acerca a los científicos un paso más hacia la creación de computadoras cuánticas totalmente funcionales y es el último ejemplo de la iniciativa de Rochester para comprender mejor el comportamiento cuántico y desarrollar nuevos sistemas cuánticos. La Universidad recibió recientemente una subvención de $ 4 millones del Departamento de Energía para explorar materiales cuánticos.

COMPUTADORAS CUÁNTICAS

Una computadora cuántica opera según los principios de la mecánica cuántica, un conjunto único de reglas que gobiernan a una escala extremadamente pequeña de átomos y partículas subatómicas. Cuando se trata de partículas a estas escalas, muchas de las reglas que rigen la física clásica ya no se aplican y emergen los efectos cuánticos; una computadora cuántica puede realizar cálculos complejos, factorizar números extremadamente grandes y simular los comportamientos de átomos y partículas a niveles que las computadoras clásicas no pueden.

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de proporcionar más información sobre los principios de la física y la química al simular el comportamiento de la materia en condiciones inusuales a nivel molecular. Estas simulaciones podrían ser útiles para desarrollar nuevas fuentes de energía y estudiar las condiciones de los planetas y galaxias o comparar compuestos que podrían conducir a nuevas terapias farmacológicas.

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"Usted y yo somos sistemas cuánticos. Las partículas en nuestro cuerpo obedecen a la física cuántica. Pero, si intenta calcular lo que sucede con todos los átomos en nuestro cuerpo, no puede hacerlo en una computadora normal", dice Nichol. "Una computadora cuántica podría hacer esto fácilmente".

Las computadoras cuánticas también podrían abrir puertas para búsquedas más rápidas de bases de datos y criptografía.

"Resulta que casi toda la criptografía moderna se basa en la extrema dificultad de las computadoras normales para factorizar grandes números", dice Nichol. "Las computadoras cuánticas pueden factorizar fácilmente grandes cantidades y romper esquemas de encriptación, por lo que puedes imaginar por qué muchos gobiernos están interesados en esto".

BITS VS. QUBITS

Una computadora normal consta de miles de millones de transistores, llamados bits. Las computadoras cuánticas, por otro lado, se basan en bits cuánticos, también conocidos como qubits, que se pueden hacer a partir de un solo electrón.

A diferencia de los transistores ordinarios, que pueden ser "0" o "1", los qubits pueden ser tanto "0" como "1" al mismo tiempo. La capacidad de los qubits individuales de ocupar estos "estados de superposición", donde están simultáneamente en múltiples estados, subyace al gran potencial de las computadoras cuánticas. Sin embargo, al igual que las computadoras comunes, las computadoras cuánticas necesitan una forma de transferir información entre qubits, y esto presenta un gran desafío experimental.

"Una computadora cuántica necesita tener muchos qubits, y son realmente difíciles de hacer y operar", dice Nichol. "El estado de la técnica en este momento está haciendo algo con solo unos pocos qubits, por lo que todavía estamos muy lejos de aprovechar todo el potencial de las computadoras cuánticas".

Todas las computadoras, incluidas las computadoras y dispositivos normales y cuánticos como los teléfonos inteligentes, también tienen que realizar la corrección de errores. Una computadora normal contiene copias de bits, por lo que si uno de los bits falla, "el resto solo tendrá un voto mayoritario" y solucionará el error. Sin embargo, los bits cuánticos no se pueden copiar, dice Nichol, "así que debes ser muy inteligente sobre cómo corriges los errores. Lo que estamos haciendo aquí es un paso en esa dirección".

MANIPULANDO ELECTRONES

La corrección de errores cuánticos requiere que los qubits individuales interactúen con muchos otros qubits. Esto puede ser difícil porque un electrón individual es como un imán de barra con un polo norte y un polo sur que pueden apuntar hacia arriba o hacia abajo. La dirección del polo, ya sea que el polo norte apunte hacia arriba o hacia abajo, por ejemplo, se conoce como el momento magnético del electrón o el estado cuántico.

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Si ciertos tipos de partículas tienen el mismo momento magnético, no pueden estar en el mismo lugar al mismo tiempo. Es decir, dos electrones en el mismo estado cuántico no pueden sentarse uno encima del otro.

"Esta es una de las principales razones por las que algo como un centavo, que está hecho de metal, no se derrumba sobre sí mismo", dice Nichol. "Los electrones se están separando porque no pueden estar en el mismo lugar al mismo tiempo".

Si dos electrones están en estados opuestos, pueden sentarse uno encima del otro. Una consecuencia sorprendente de esto es que si los electrones están lo suficientemente cerca, sus estados cambiarán de un lado a otro en el tiempo.

"Si tienes un electrón que está arriba y otro electrón que está abajo y los juntas por la cantidad justa de tiempo, se intercambiarán", dice Nichol. "No cambiaron de lugar, pero cambiaron sus estados".

Para forzar este fenómeno, Nichol y sus colegas enfriaron un chip semiconductor a temperaturas extremadamente bajas. Usando puntos cuánticos, semiconductores a nanoescala, atraparon cuatro electrones en una fila, luego los movieron para que entraran en contacto y sus estados cambiaran.

"Hay una manera fácil de cambiar el estado entre dos electrones vecinos, pero hacerlo a largas distancias, en nuestro caso, son cuatro electrones, requiere mucho control y habilidad técnica", dice Nichol. "Nuestra investigación muestra que este es ahora un enfoque viable para enviar información a largas distancias".

Un primer paso

La transmisión del estado de un electrón hacia adelante y hacia atrás a través de una serie de qubits, sin mover la posición de los electrones, proporciona un ejemplo sorprendente de las posibilidades permitidas por la física cuántica para la ciencia de la información.

"Este experimento demuestra que la información en estados cuánticos se puede transferir sin transferir los espines de electrones individuales por la cadena", dice Michael Manfra, profesor de física y astronomía en la Universidad de Purdue. "Es un paso importante para mostrar cómo la información se puede transmitir de forma cuántica, de maneras muy diferentes a las que nuestra intuición clásica nos llevaría a creer".

Nichol compara esto con los pasos que condujeron desde los primeros dispositivos informáticos a las computadoras de hoy. Dicho esto, ¿algún día todos tendremos computadoras cuánticas para reemplazar nuestras computadoras de escritorio? "Si le hubieras hecho esa pregunta a IBM en la década de 1960, probablemente hubieran dicho que no, de ninguna manera eso va a suceder", dice Nichol. "Esa es mi reacción ahora. Pero, ¿quién sabe?"