¿Cómo podría este nuevo qubit a temperatura ambiente conducir a la siguiente etapa de la computación cuántica?

Los científicos han construido un qubit 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 459 grados Fahrenheit (menos 273 grados Celsius); de lo contrario, sucumben a la interferencia y fallan, lo que se llama decoherencia.

Para resolver este problema, el nuevo qubit utiliza 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 significan que los científicos pueden 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 (representados como 1 o 0), las computadoras cuánticas usan qubits, que pueden representarse como una superposición de 1 y 0, lo que significa que pueden estar en dos estados al mismo tiempo hasta que se observen físicamente.

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La mayoría de los qubits físicos crean una superposición entre las posiciones de giro hacia arriba y hacia abajo del electrón: dos estados binarios, representados por 1 y 0. Suelen ser un alambre de metal o un anillo diminuto que se comporta como átomos. Google utiliza aluminio en sus qubits, mientras que IBM utiliza una mezcla de aluminio y niobio, informa Scientific American.

Múltiples qubits que codifican información a través del espín de los electrones también pueden conectarse mediante entrelazamiento cuántico, cuando los estados de dos o más partículas están conectados entre sí, lo que significa que los qubits entrelazados pueden existir en múltiples estados al mismo tiempo. Esta es la razón por la que las computadoras cuánticas pueden ser mucho más poderosas que las clásicas si se construyen con suficientes qubits.

Cómo funcionan los nuevos qubits

Los electrones de los cromóforos pueden excitarse mediante un proceso llamado fisión singlete, en el que absorben luz y cambian su estado de espín. En el pasado, los investigadores utilizaron la fisión singlete para crear superposiciones en qubits, pero solo pudieron lograrlo a temperaturas inferiores a -324 grados Fahrenheit (-198 grados Celsius), escribieron los científicos en el artículo.

En el nuevo estudio, los científicos utilizaron un cromóforo basado en el hidrocarburo pentaceno, en el que se unen anillos pentagonales de carbono e hidrógeno. Para lograr el mismo estado cuántico a temperaturas más altas, los investigadores atraparon las moléculas de cromóforo en MOF, un material cristalino único compuesto de iones metálicos unidos a moléculas orgánicas.

El MOF restringe casi por completo el movimiento de las moléculas de tinte, lo que ayuda a mantener enredados los electrones excitados. Luego, los científicos expusieron los electrones del cromóforo a pulsos de microondas, que los excitaron mediante fisión singlete. Pequeños agujeros en la estructura cristalina, llamados nanoporos, permiten que los electrones giren en ángulos pequeños y específicos, dijo en un comunicado el autor principal del estudio, Nobuhiro Yanai, profesor asociado de química en la Universidad de Kyushu.

Esta ligera rotación permite que los electrones excitados pasen de dos pares de electrones en un estado «triplete» excitado, en el que los electrones de diferentes orbitales moleculares tienen espines paralelos, a un grupo de cuatro electrones en un estado «quintete» menos estable. Los espines de los electrones son antiparalelos, lo que significa que son paralelos pero se mueven en direcciones opuestas. En este quinteto dominan las leyes de la mecánica cuántica.

Tras este proceso, los investigadores observaron la coherencia cuántica de los cuatro quintetos de electrones a temperatura ambiente durante más de 100 nanosegundos (un nanosegundo es una milmillonésima de segundo).

La búsqueda de ordenadores cuánticos a temperatura ambiente

Esta es la primera coherencia cuántica a temperatura ambiente de quinteto de electrones entrelazados, dijo en un comunicado el coautor del estudio Yasuhiro Kobori, profesor de química en la Universidad de Kobe.

Yanai dijo en el comunicado que en el trabajo de seguimiento, el equipo espera restringir aún más el movimiento de los electrones agregando otras moléculas «invitadas» o estudiando la estructura subyacente de los MOF para crear qubits más estables.

Si bien es poco probable que la nueva investigación permita la computación cuántica a temperatura ambiente en el futuro previsible, el avance aumenta el esfuerzo para construir qubits que puedan lograr coherencia cuántica a temperatura ambiente. De hecho, generar qubits estables a temperatura ambiente ha sido durante mucho tiempo una esperanza, dijo a WordsSideKick.com Vlatko Vedral, profesor de ciencia de la información cuántica en la Universidad de Oxford.

Este cálculo de la temperatura ambiente evitará la necesidad de corregir errores, dijo. Esto se debe a que, para funcionar a temperatura ambiente, los qubits deben diseñarse para resistir fuerzas dañinas, lo que los hace inestables y susceptibles a la decoherencia.

«En este artículo se reportan tiempos de coherencia de espín largos, lo cual es un avance importante», afirmó. «Sin embargo, no estoy seguro de qué tan fácil es escalar y, especialmente, qué tan fácil es controlar las interacciones entre qubits. En mi opinión, este será el cuello de botella, porque los qubits aislados con largos tiempos de coherencia no son útiles para Computación cuántica. Muy útil.» En otras palabras, para hacer una computadora poderosa, se necesitan muchos qubits para realizar cálculos.

A pesar de sus dudas sobre la viabilidad de este descubrimiento en particular, Vidral lo saludó como «un hito importante» y agregó que la investigación es más importante a largo plazo que el desarrollo de métodos para realizar la corrección de errores cuánticos.