La máquina de computación cuántica de átomos de fósforo

A finales de los 90, un físico australiano presentó un diseño para una computadora cuántica. Bruce Kane sugirió que los átomos de fósforo incrustados en silicio serían la forma ideal de almacenar y manipular información cuántica.

Su idea era que el núcleo del átomo de fósforo podría almacenar un solo qubit durante largos períodos de tiempo en la forma en que gira. Un campo magnético podría abordar fácilmente este qubit utilizando técnicas bien conocidas de espectroscopia de resonancia magnética nuclear. Eso permitiría manipulaciones de un solo qubit pero no operaciones de dos qubit, porque los espines nucleares no interactúan significativamente entre sí.

Para eso, sugirió transferir el espín a un electrón que orbita alrededor del átomo de fósforo, que interactuaría mucho más fácilmente con un electrón que orbita alrededor de un átomo de fósforo cercano. Las operaciones de dos qubits serían posibles manipulando los dos electrones con campos eléctricos.

La gran ventaja de la computadora cuántica Kane que entusiasmó a muchos físicos en ese momento fue que era escalable. Dado que cada átomo podría direccionarse individualmente utilizando circuitos electrónicos estándar, es sencillo aumentar el tamaño de la computadora agregando más átomos y su parafernalia electrónica asociada y luego conectarlo a una computadora convencional.

Construir una computadora cuántica Kane se ha convertido casi en una obsesión en Australia, donde unos 100 investigadores han estado trabajando en el problema durante más de una década.

Han logrado avances como la posibilidad de implantar átomos de fósforo en ubicaciones precisas del silicio utilizando un microscopio de efecto túnel. También han podido abordar los giros nucleares de estos átomos de fósforo utilizando poderosos campos magnéticos.

Pero el gran desafío sin resolver ha sido encontrar una manera de abordar el giro de un electrón individual que orbita un átomo de fósforo y leer su valor.

Hoy, Jarryd Pla de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney, y algunos amigos, dicen que han conquistado esta tarea por primera vez.

Estos tipos implantaron un solo átomo de fósforo en una nanoestructura de silicio y lo colocaron en un poderoso campo magnético a una temperatura cercana al cero absoluto. Luego fueron capaces de cambiar el estado de un electrón que orbita alrededor del átomo de fósforo al golpearlo con microondas.

El paso final, un desafío significativo en sí mismo, fue leer el estado del electrón mediante un proceso conocido como conversión de espín a carga.

El resultado final es un dispositivo que puede almacenar y manipular un qubit y tiene el potencial de realizar operaciones lógicas de dos qubit con átomos cercanos; en otras palabras, el bloque de construcción fundamental de una computadora cuántica escalable.

Estos resultados indican que el espín electrónico de un solo átomo de fósforo en el silicio es una excelente plataforma sobre la que construir una computadora cuántica escalable, dice el equipo.

Eso parece ser un gran avance para el esfuerzo de Australia por hacer una computadora cuántica escalable.

Sin embargo, ha surgido una dura competencia en los 15 años desde que Kane publicó su diseño original. En particular, los físicos han encontrado una manera sencilla de almacenar y procesar información cuántica en defectos de vacantes de nitrógeno en diamantes.

Luego está D-Wave Systems, que ya fabrica una computadora cuántica escalable que funciona de una manera completamente diferente a la que ha vendido a compañías como Lockheed Martin y Google.

La gran ventaja del diseño australiano es su compatibilidad con la industria de fabricación de chips basada en silicio existente. En teoría, será sencillo incorporar esta tecnología en futuros chips.

Es difícil saber si eso es lo que sucederá en la práctica. Ser el primero en comercializar es una gran ventaja en el mundo de la alta tecnología y el diseño australiano está todavía a años de emerger de los laboratorios.

Hay muchos obstáculos por venir que podrían derribar cualquiera de estas tecnologías emergentes. Esta carrera está lejos de terminar.

Ref: arxiv.org/abs/1305.4481 : Qubit de espín de electrón de un solo átomo en silicio

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