Científicos australianos 'inventan' un nuevo tipo de computación cuántica

^{Modelo de un procesador basado en qubits. /UNWS}

El funcionamiento de los ordenadores cuánticos se basa en qubits, unidades de información construidas a partir de partículas que tienen un comportamiento cuántico. En el mundo de las partículas subatómicas, las leyes de la naturaleza a las que estamos acostumbrados no tienen validez, y en cambio aparecen características increíblemente sorprendentes: las partículas pueden estar en dos lugares a la vez, teletransportarse, entrelazarse de manera única y permitir una nueva concepción del manejo de la información. Inspirándose en partículas como los electrones, se logró crear el cúbit o qubit, un elemento capaz de procesar información mejor de lo que una computadora clásica podría hacer en siglos. Si el bit es la unidad mínima de información clásica, el cúbit lo es de la cuántica. La diferencia principal entre ellos es que, el bit tradicional solo puede entregar resultados binarios (0 y 1), mientras que el cúbit, aprovechando las propiedades de la mecánica cuántica, puede tener ambos valores al mismo tiempo (0 y 1), lo que da pie a una velocidad de resolución de problemas mucho más acelerada.

Para crearlos, se usan átomos fijados por láser, trampas de iones y a veces las propiedades de los superconductores. El problema es que las extrañas normas que rigen la mecánica cuántica dificultan mucho el trabajo y aún falta mucho para poder controlar estos fenómenos físicos de tal modo que se pueda trabajar con un número elevado de estas unidades. Pero para solucionar este problema, ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNWS, Australia) han presentado un diseño nuevo de esta unidad de información y han publicado sus resultados en Nature Communications.

El nuevo cúbit está basado en un sistema flip-flop (algo así como basculante), que promete, en un futuro, simplificar y abaratar la producción a gran escala de chips cuánticos. La ventaja que supone este diseño es que funciona sin que sea necesario colocar los átomos en una posición muy estricta, como ocurre con otros chips: permite que estos estén entrelazados a distancias de hasta cientos de nanómetros. El siguiente vídeo elaborado por la universidad australiana explica el proceso.

Esto es posible gracias a que han encontrado un nuevo modo de definir el spin del cúbit, una propiedad intrínseca de las partículas que les dota, entre otras cosas, de la capacidad de interactuar con campos magnéticos externos, y que es útil para que el átomo funcione como una unidad de memoria o bit. Este nuevo modo permite que la unidad sea controlada a través de señales eléctricas en vez de magnéticas, lo que tiene la gran ventaja de que las primeras son mucho más fáciles de distribuir y localizar dentro de un chip.

El problema del tamaño

Además, el hallazgo permite sortear una gran limitación en el diseño de ordenadores cuánticos: el tamaño. Se necesita aumentar el número de cúbits para el almacenamiento, pero hasta ahora, esto es directamente proporcional al tamaño. Tanto IBM como Google han logrado construir los ordenadores cuánticos con mayor número de cúbits hasta el momento con superconductores y trampas de iones. Pero todo a costa de usar mucho espacio. Normalmente, se necesita que todos los cúbits estén muy cerca unos de otros: convencionalmente a una distancia mínima de 50 átomos, o sea, entre 10 a 20 nanómetros, para poder disfrutar de la propiedad conocida como entrelazamiento cuántico, que resulta indispensable para que aparezca la computación cuántica. Este diseño ofrece una nueva vía de mejorar los ordenadores, ya que ofrece la posibilidad de aumentar las distancias máximas que puede haber entre qubits sin que pierdan esta propiedad. ¿Como consigue esta distancia sin aumentar el tamaño? El dispositivo es que aprovecha tanto el núcleo como el electrón de los átomos que integran el cúbit. Los investigadores aprovechan una diferencia de carga entre el núcleo y el electrón, y permiten que ambos interaccionen a una distancia de hasta 1.000 nanómetros.

Por otro lado, investigadores del Instituto Tecnológico de California (Caltech, EE.UU.) y la Universidad de Verona (Italia) han construido un dispositivo de memoria cuántica aproximadamente 1.000 veces más pequeño que los aparatos similares actuales, tan minúsculo que puede, por fin, ser instalado en un chip. Esta memoria cuántica óptica es un dispositivo que toma un fotón y lo codifica con datos. Según datos de la investigación, publicada la semana pasada en Science, este dispositivo tiene un área de aproximadamente 10 por 0,7 micrómetros y una forma extraña, como una barra de caramelo Toblerone (larga y delgada con una forma triangular con muescas), con espejos en cada extremo, que contiene en su interior tierras raras neodimio, dentro de un cristal de ortovanadato de itrio, materiales que posibilitan su pequeño tamaño. Esta estructura contiene, a su vez,una cavidad de cristal que atrapa fotones individuales que codifican información de datos (cero, uno o ambos).

Beatriz de Vera
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