Los investigadores utilizaron un microscopio de efecto túnel similar al que se muestra en la imagen para realizar cálculos cuánticos utilizando átomos de titanio. Crédito: Stan Olszewski/IBM Research/Science Photo Library
Nuevo tipo de computadora cuántica creada con un microscopio de alta resolución
Los átomos individuales sobre una superficie hacen su primer cálculo básico.
Davide Castelvecchi
Los físicos han realizado los primeros cálculos cuánticos utilizando átomos individuales colocados sobre una superficie.
La técnica, descripta el 5 de octubre en Science, controla los átomos de titanio emitiendo señales de microondas desde la punta de un microscopio de efecto túnel (STM). Es poco probable que compita en el corto plazo con los principales enfoques de la computación cuántica, incluidos los adoptados por Google e IBM , así como por muchas empresas de nueva creación . Pero la táctica podría usarse para estudiar propiedades cuánticas en una variedad de otros elementos químicos o incluso moléculas, dicen los investigadores que la desarrollaron.
En cierto nivel, todo en la naturaleza es cuántico y, en principio, puede realizar cálculos cuánticos. La parte difícil es aislar los estados cuánticos llamados qubits (el equivalente cuántico de los bits de memoria de una computadora clásica) de las perturbaciones ambientales y controlarlos con suficiente precisión para poder realizar dichos cálculos.
Andreas Heinrich del Instituto de Ciencias Básicas de Seúl y sus colaboradores trabajaron con el qubit "original" de la naturaleza: el espín del electrón. Los electrones actúan como pequeñas agujas de una brújula, y medir la dirección de su giro sólo puede dar dos valores posibles, "arriba" o "abajo", que corresponden al "0" y al "1" de un bit clásico. Pero antes de medirlo, el espín del electrón puede existir en un continuo de posibles estados intermedios, llamados superposiciones. Ésta es la clave para realizar cálculos cuánticos.
Figura: Tres átomos de titanio están dispuestos dentro de un microscopio de efecto túnel (STM), lo suficientemente cerca como para detectar los espines cuánticos de cada uno. Los átomos de hierro pegados a la punta del STM (arriba) 'hablan' con uno de los qubits (azul), usándolo para leer y escribir información en los otros dos (rojo) y para lograr que realicen un cálculo cuántico rudimentario. Crédito: Centro de Nanociencia Cuántica
Los investigadores comenzaron dispersando átomos de titanio sobre una superficie perfectamente plana hecha de óxido de magnesio. Luego mapearon las posiciones de los átomos utilizando el STM, que tiene resolución atómica. Usaron la punta de la sonda STM para mover los átomos de titanio, organizando tres de ellos en un triángulo.
Utilizando señales de microondas emitidas desde la punta del STM, los investigadores pudieron controlar el giro de un solo electrón en uno de los átomos de titanio. Al ajustar adecuadamente las frecuencias de las microondas, también podrían hacer que su espín interactúe con los espines de los otros dos átomos de titanio, de manera similar a cómo múltiples agujas de una brújula pueden influirse entre sí a través de sus campos magnéticos. De esta manera, el equipo pudo configurar una operación cuántica simple de dos qubits y también leer sus resultados. La operación tardó sólo nanosegundos, más rápido de lo que es posible con la mayoría de los otros tipos de qubit.
Heinrich dice que será bastante sencillo ampliar la técnica hasta quizás 100 qubits, posiblemente manipulando espines en una combinación de átomos y moléculas individuales. Sin embargo, podría ser difícil llevarlo mucho más allá, y las principales tecnologías de qubits ya se están ampliando a cientos de qubits. “Estamos más en el lado de la ciencia básica”, dice Heinrich, aunque agrega que algún día se podrían vincular múltiples computadoras cuánticas STM para formar una más grande.
Referencias
Wang, Y. et al. Science 382, 87–92 (2023)
