Hacia el aislamiento de electrones individuales para usarlos en computación cuántica

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Si los bioquímicos tuvieran acceso a una computadora cuántica podrían simular perfectamente las propiedades de nuevas moléculas y así avanzar en el desarrollo de fármacos novedosos, logrando en minutos lo que a las supercomputadoras más potentes de la actualidad les llevaría décadas.

Los electrones representan un bit cuántico (qubit) ideal.

Tales bits son pequeños (incluso más que un átomo), y dado que no experimentan interacciones muy fuertes con su entorno pueden mantener sus propiedades cuánticas de utilidad práctica durante períodos largos.

Sin embargo, explotar a los electrones como qubits también supone un reto en cuanto a que deben ser atrapados y manipulados.

Y afrontar este reto es exactamente lo que ha hecho el equipo de David Schuster, profesor de física en la Universidad de Chicago, en Estados Unidos.

Un aspecto esencial de este experimento es que Schuster, Ge Yang, Gerwin Koolstra y sus colegas han integrado electrones atrapados en circuitos cuánticos superconductores ya más desarrollados.

Esto permite aprovechar tecnología existente de computación cuántica. El equipo capturó los electrones obligándolos a flotar por encima de una superficie de helio líquido a temperaturas extremadamente bajas.

Si bien los electrones en el vacío almacenan información cuántica casi perfectamente, en ambientes y materiales de nuestro entorno cotidiano se ven perturbados por el movimiento de los átomos a su alrededor.

Sin embargo, los electrones tienen una relación única con el helio líquido. Levitan por encima de su superficie, insensibles a las burbujeantes fluctuaciones atómicas de debajo.

Esto sucede porque los electrones “ven” su propia imagen especular en toda la superficie del helio, por así decirlo.
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Dado que su imagen posee una carga opuesta, se ven atraídos por su propio reflejo. Pero los efectos de la mecánica cuántica los hacen sacudirse y se apartan.

Atracción y repulsión se equilibran a unos 10 nanómetros por encima de la superficie del helio, lo bastante lejos en términos cuánticos, y ahí es donde se quedan los electrones.

“Podemos atrapar electrones y mantenerlos así básicamente tanto tiempo como queramos”, explica Koolstra. “Los hemos dejado ahí durante 12 horas, y finalmente nos aburrimos”.

A los electrones se les mantiene levitando en el seno de una estructura superconductora, la cual es un “resonador” de un tipo que el laboratorio de Schuster desarrolló para otro trabajo con circuitos cuánticos.

Dado que son tan pequeños, los electrones suelen interactuar solo muy débilmente con las señales eléctricas.

Un resonador funciona como una sala de espejos, permitiendo que la señal rebote de un lado a otro más de 10.000 veces, dándole más tiempo al electrón para interactuar. Esta configuración es la que hace posible construir un qubit.

En la primera oleada de experimentos, los científicos han estado trabajando con alrededor de 100.000 electrones, demasiados para contarlos, y demasiados para controlarlos del modo necesario en cuanto a la mecánica cuántica.

Pero ya están reduciendo esa cantidad. El objetivo es una trampa que sujete solo un electrón, cuyo comportamiento pueda ser analizado y controlado para su uso como bit cuántico.

Fuente: Noticias de la Ciencia