Un gran avance en la computación cuántica con qubits estables a temperatura ambiente

Los científicos han logrado una coherencia cuántica innovadora a temperatura ambiente durante 100 nanosegundos, acercando los qubits moleculares a la computación cuántica práctica.

Recientemente, los científicos pudieron mantener la coherencia cuántica en un qubit molecular durante más de cien nanosegundos a temperatura ambiente, lo que indica posibles avances en la computación cuántica.

Las computadoras cuánticas podrían revolucionar la tecnología de la información al cambiar el paradigma de la informática. Esto se debe a sus unidades básicas, llamadas qubits, que pueden existir en cualquier conjunto de estados, a diferencia de los bits clásicos que están restringidos a un valor específico de 1 o 0. Dada esta infinita variedad de estados de qubits, una computadora cuántica debería poder fácilmente para manejar problemas computacionales que una computadora convencional tardaría billones de años en resolver.

Los científicos han creado con éxito qubits a partir de partículas como fotones, átomos, electrones individuales o incluso un anillo superconductor. Sin embargo, crear un qubit es una cosa, construir una computadora cuántica que funcione a partir de miles o incluso millones de qubits es un desafío completamente diferente, y los intentos hasta la fecha han estado plagados de grandes dificultades.

Para que una computadora cuántica funcione, es necesario crear y manipular interacciones cuánticas precisas entre múltiples qubits, un estado conocido como entrelazamiento. Sin embargo, para que esto funcione, los propios qubits deben permanecer estables o «coherentes», lo que significa mantenerlos en un estado cuántico bien definido. El problema es que la coherencia es difícil de mantener porque colapsa fácilmente cuando los qubits interactúan con su entorno, e incluso la radiación del espacio puede desviarlos.

Para resolver este problema, un equipo de investigadores japoneses dirigido por Nobuhiro Yanai, profesor asociado de la Universidad de Kyushu, diseñó un qubit estable utilizando una estructura especial llamada estructura organometálica. Esta estructura implica combinar moléculas de pentaceno (compuestas por cinco anillos de benceno conectados) con iones de circonio y enlaces de dicarboxilato orgánico. Las moléculas de pentaceno actúan como puentes, manteniendo unidos los enlaces y los iones en una estructura compuesta tanto de moléculas orgánicas como de iones metálicos, de ahí el nombre.

El papel del qubit lo desempeñaban un par de moléculas de pentaceno adyacentes, que estaban acopladas y existían dentro de cinco estados cuánticos diferentes logrados irradiando el MOF con diferentes longitudes de onda de radiación de microondas.

Los nanovoides MOF proporcionan a las moléculas de pentaceno un cierto grado de libertad, pero en última instancia restringen su movimiento total bajo la influencia de la radiación, asegurando que formen el estado cuántico deseado y permanezcan atrapadas en él durante un largo período de tiempo.

“El MOF en este trabajo es un sistema único que puede acumular densidad [pentacene molecules]“, dijo Yanai en un presione soltar. “Además, los nanoporos dentro del cristal nos permiten hacer esto. [them] Giratorio, pero en un ángulo muy restringido.

El resultado más importante del estudio fue que el equipo pudo mantener la cohesión durante más de cien nanosegundos a temperatura ambiente, mientras que antes esto sólo se podía lograr en sistemas similares a temperaturas increíblemente frías de alrededor de -200 grados porcentuales. A tales temperaturas, habría sido posible mantener la coherencia sólo en los qubits fotónicos, pero además de necesitar condiciones tan extremas para funcionar, los ordenadores cuánticos que utilizan estos qubits fotónicos sufren fugas de fotones.

Mantener las temperaturas criogénicas no sólo es costoso, sino que complica todo el proceso de configuración informática. Por tanto, crear un qubit estable que funcione a temperatura ambiente es un logro impresionante y práctico.

De cara al futuro, los científicos se muestran optimistas en cuanto a extender la cohesión a períodos más largos. Creen que al diseñar MOF mejorados e identificar moléculas más adecuadas para qubits, pueden ampliar aún más los límites.

“Sería posible generar un pentagrama […] «Los qubits se identificarán de manera más eficiente en el futuro buscando moléculas invitadas que puedan estimular más de estos movimientos suprimidos y desarrollando estructuras MOF adecuadas», concluyó Yanai. «Esto podría abrir las puertas a la computación cuántica molecular a temperatura ambiente».

Referencia: Akio Yamauchi et al, Coherencia cuántica a temperatura ambiente de múltiples excitones entrelazados en una estructura organometálica, Science Advances (2024), DOI: 10.1126/sciadv.adi3147

Crédito de la imagen: Geralt en Pixabay