Desarrollan un nuevo concepto de ordenador cuántico con “qubits de espín electrónico”

• Este trabajo de investigación demuestra la capacidad de controlar simultáneamente múltiples estados cuánticos de átomos individuales en la superficie. Se espera que surja un nuevo ordenador cuántico con un diseño diferente a los existentes.

• Los resultados del estudio liderado por Deung-Jang Choi, del Centro de Física de Materiales (CSIC-UPV/EHU) y del Donostia International Physics Center (DIPC), en colaboración con un equipo internacional acaban de ser publicados en la prestigiosa revista Science.

Un equipo internacional de investigación liderado por Deung-Jang Choi y Cristina Mier, del Centro de Física de Materiales (CSIC-UPV/EHU) y del Donostia International Physics Center (DIPC) [Figura 1], en colaboración con equipos de investigación de Corea, Japón y Estados Unidos, ha presentado con éxito una nueva plataforma cuántica que utiliza los espines de electonicos de átomos individuales sobre una superficie sólida, logrando un sistema de qubit (bit cuántico) múltiple que utiliza tres espines de electrones simultaneamente. Los resultados del estudio acaban de publicarse en la prestigiosa revista Science.

La unidad fundamental para el almacenamiento de información y el cálculo en los ordenadores es el bit, que puede tener un valor de 0 ó 1. En cambio, los ordenadores cuánticos funcionan con qubits como unidad fundamental, que pueden realizar cálculos en una superposición de estados 0 y 1, lo que significa que pueden existir simultáneamente en ambos estados, como en la paradoja del gato de Schrodinger.  Esta capacidad se traduce en una mejora significativa del rendimiento en términos de almacenamiento de información y velocidad de procesamiento en comparación con los ordenadores clásicos.

Figura 1. De izquierda a derecha: Cristina Mier y Deung Jang Choi manipulando un microscopio STM en CFM.

Para comercializar los ordenadores cuánticos, se han propuesto varios tipos de qubits utilizando uniones superconductoras, trampas de iones, puntos cuánticos y estados de fase cuánticos. Debido a la relativamente corta historia de la ciencia de la información cuántica, el reto de diseñar un sistema de qubits óptimo sigue pendiente. Durante décadas, los esfuerzos de la ciencia se han concentrado en construir una arquitectura cuántico-coherente a escala atómica, un reino donde las propiedades fundamentales de los átomos, como el espín de los electrones, se abran paso. Un logro así podría revolucionar la ciencia cuántica y la nanotecnología.

De hecho, continúa siendo necesaria una investigación científica fundamental para poner en marcha una nueva plataforma cuántica que subsane las deficiencias de los qubits existentes y, al mismo tiempo, aumente su integración y fiabilidad.

La microscopía de barrido de efecto túnel (STM) ha demostrado ser muy útil para medir y controlar los estados electrónicos de átomos individuales, aprovechando los fenómenos de la mecánica cuántica. En este trabajo, que combina la tecnología STM y la ESR (resonancia de espín electrónico), la proyección de pulsos de microondas sobre átomos individuales de titanio en la superficie permite controlar y medir con éxito los estados de espín. Como resultado, fue posible controlar con precisión el espín de un solo átomo y ajustarlo al estado cuántico deseado. El reto restante era implementar un sistema multiqubit capaz de controlar varios qubits simultáneamente. La plataforma de qubits presentada en este trabajo consiste en múltiples átomos de titanio colocados sobre la superficie de un fino aislante (óxido de magnesio) y ha superado con éxito el reto.

Las investigadoras/es utilizaron la sonda de un microscopio de barrido en túnel (STM) manipulando con precisión las posiciones de cada átomo, creando una estructura de múltiples átomos de titanio donde sus espines pueden interactuar [véase la Figura 2]. Posteriormente, aplicaron un método de control remoto al átomo de titanio que sirve de sensor (qubit sensor) y controlaron y midieron con éxito múltiples qubits (qubits remotos) colocados a distancia con una sola sonda.

Como cada qubit remoto interactúa con el qubit sensor, los cambios en el estado de espín de los qubits remotos afectan al qubit sensor, y este cambio se lee a través de la sonda. En este trabajo también implementaron las operaciones fundamentales del procesamiento cuántico de la información, las puertas “CNOT” (Controlled NOT gate) y “Toffoli”, utilizando esta plataforma de qubits. La investigación se llevó a cabo a una temperatura de 0,4K (-272,6°C).

“Manipular múltiples qubits a distancia a nivel atómico es realmente extraordinario”, afirmó una de las investigadoras. “Hasta ahora, sólo podíamos controlar un único qubit en la superficie, pero gracias a esta investigación, hemos dado un salto significativo en la implementación de sistemas de qubits múltiples a nivel atómico”.

La plataforma presentada en este estudio tiene la ventaja de controlar con precisión el intercambio de información entre qubits a nivel atómico. También se distingue de las plataformas de qubits existentes porque puede implementar circuitos cuánticos integrados con qubits individuales de menos de 1 nm. Además, a diferencia de otras plataformas que requieren materiales específicos (qubits de uniones superconductoras), permite seleccionar varios átomos como materiales de qubit, además del titanio.

En cuanto a la futura implementación y aplicación de estos resultados, la aplicación del sistema de qubits implementado para el procesamiento práctico de información cuántica, requerirá asegurar un tiempo de operación suficientemente largo para realizar diversas operaciones cuánticas de forma continua mientras se incrementa el número de qubits. Utilizando el método introducido en esta investigación, se espera que se puedan conectar y operar hasta 5-6 qubits, pero es necesario seguir investigando para desarrollar una plataforma que pueda controlar más de 10 qubits simultáneamente mejorando las conexiones y los métodos de medición entre qubits.

Los resultados de la investigación se publicaron en la prestigiosa revista científica “Science” el 6 de octubre de 2023 en su versión impresa y está disponible online desde el 5 de octubre.