¿Resolver el rompecabezas cuántico? Cómo los sólidos bits de neón podrían cambiar la informática para siempre

Una nueva investigación investiga qubits de electrones en neón sólido y revela que pequeñas protuberancias en superficies de neón sólido crean estados cuánticos estables, lo que permite una manipulación precisa. Esta investigación, respaldada por múltiples fundaciones, subraya la importancia de mejorar la fabricación de qubits, acercándonos a soluciones prácticas de computación cuántica.

Investigaciones recientes han avanzado en el desarrollo de qubits de electrones en neón sólido, revelando ideas clave que mejoran… Estadísticas cuantitativas Ampliando los tiempos de coherencia de los qubits y mejorando su diseño.

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de ser herramientas revolucionarias debido a su capacidad para realizar cálculos que a las computadoras clásicas les llevaría muchos años resolver.

Pero para hacer una computadora cuántica efectiva, se necesita un bit cuántico confiable, o qubit, que pueda existir en un estado simultáneo de 0 o 1 durante un período suficientemente largo, conocido como tiempo de coherencia.

Un enfoque prometedor es atrapar un solo electrón en una superficie de neón sólido, el llamado qubit de electrón sobre neón sólido. En 2011 se publicó un estudio realizado por Wei Guo, profesor de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Florida A&M y de la Universidad Estatal de Florida. Cartas de revisión de materiales El estudio muestra nuevos conocimientos sobre el estado cuántico que describe el estado de los electrones en dicho qubit, información que podría ayudar a los ingenieros a construir esta tecnología innovadora.

Un diagrama de un bit cuántico de electrones sobre neón sólido. Crédito de la imagen: Cortesía de Wee Guo.

Dinámica de estados cuánticos y diseño de qubits.

El equipo de Gu descubrió que pequeñas protuberancias en la sólida superficie de neón del qubit pueden unir electrones de forma natural, creando estados cuánticos en forma de anillo para estos electrones. El estado cuántico se refiere a las diversas propiedades de un electrón, como la posición, el momento y otras propiedades, antes de medirlas. Cuando las protuberancias tienen un tamaño determinado, la energía de transferencia de electrones (la cantidad de energía necesaria para que un electrón pase de un estado de anillo cuántico a otro) corresponde a la energía de los fotones de microondas, otra partícula elemental.

Wei Guo es profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Florida A&M – Estado de Florida. Crédito de la foto: Mark Wallheiser/Facultad de Ingeniería de la Universidad Florida A&M – Estado de Florida

Esta alineación permite el control del electrón, que es esencial para la computación cuántica.

«Este trabajo avanza enormemente en nuestra comprensión del mecanismo de captura de electrones en una prometedora plataforma de computación cuántica. No sólo aclara observaciones experimentales desconcertantes, sino que también proporciona información crucial para el diseño, optimización y control de qubits de electrones en neón sólido», dijo Gu. .

Trabajo anterior de Guo y colegas. demostró la eficacia de una plataforma qubit de un solo electrón de estado sólido utilizando electrones atrapados en neón sólido. Investigaciones recientes han demostrado que los tiempos de coherencia son hasta 0,1 milisegundos, o 100 veces más largos que los tiempos de coherencia típicos de 1 microsegundo para los qubits de carga convencionales basados ​​en semiconductores y superconductores.

El tiempo de coherencia determina cuánto tiempo un sistema cuántico puede mantener un estado de superposición: la capacidad de un sistema de existir en múltiples estados al mismo tiempo hasta que se mide, que es una de las propiedades que otorga a las computadoras cuánticas sus capacidades únicas.

Rendimiento mejorado de Qubit

El mayor tiempo de coherencia del bit de electrón en el neón sólido se puede atribuir a la inercia y pureza del neón sólido. Este sistema de qubits también aborda el problema de las oscilaciones de la superficie del líquido, un problema inherente a los qubits de electrones más estudiados en líquido y helio. La investigación actual proporciona información crucial para mejorar aún más el qubit de electrones en neón sólido.

La parte fundamental de esta optimización es crear qubits que sean suaves en la mayor parte de la superficie sólida del neón, pero que tengan las protuberancias del tamaño adecuado donde se necesitan. Los diseñadores quieren crestas superficiales mínimas y naturales que atraigan molestas cargas eléctricas traseras. Al mismo tiempo, fabricar deliberadamente protuberancias del tamaño correcto dentro del resonador de microondas del qubit mejora la capacidad de atrapar electrones.

«Esta investigación subraya la necesidad urgente de realizar más estudios sobre cómo las diferentes condiciones afectan la fabricación de qubits de neón», dijo Gu. «Las temperaturas y la presión de la inyección de neón afectan el producto final del qubit. Cuanto más control tengamos sobre este proceso, más precisa será la construcción y más cerca estaremos de la computación cuántica que puede resolver cálculos que actualmente son inmanejables».

Referencia: “Bits cuánticos de un solo electrón basados ​​en estados de anillos cuánticos en una superficie sólida de neón” por Toshiaki Kanai, Dafei Jin y Wei Guo, 18 de junio de 2024, Cartas de revisión de materiales.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.250603

Los coautores de este artículo incluyen a Toshiaki Kanai, ex estudiante de posgrado del Departamento de Física de la Universidad Estatal de Florida, y Davey Jin, profesor asociado de la Universidad de Notre Dame.

La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Gordon y Betty Moore y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.