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La nueva técnica de resonancia magnética podría revolucionar la computación cuántica
En 2001, un equipo de físicos de IBM y la Universidad de Stanford en Silicon Valley reveló que habían construido una computadora extraordinaria capaz de explotar las extrañas reglas de la mecánica cuántica para procesar información.
Esta computadora cuántica fue diseñada para factorizar números, un problema con el que las computadoras convencionales tienen problemas especiales. El equipo lo demostró con orgullo al encontrar los dos factores primos del número 15 (3 y 5, en caso de que se lo pregunte).
Fue una hazaña impresionante. Fue posible porque un objeto cuántico puede existir en dos estados al mismo tiempo, representando un 0 y un 1 simultáneamente. Este tipo de superposición permite que un objeto cuántico se calcule con 2 bits simultáneamente, dos objetos cuánticos con cuatro bits simultáneamente, ocho objetos cuánticos con 256 bits y así sucesivamente.
IBM / Stanford tenía solo siete qubits a su disposición. Pero la promesa de este tipo de dispositivos es enorme: una computadora con solo 30 qubits sería más poderosa que cualquier computadora convencional existente.
Pero en los diez años transcurridos desde entonces, nadie ha construido una computadora cuántica mucho más poderosa que esta. ¿Cómo?
La máquina de IBM / Stanford funcionó utilizando una técnica llamada resonancia magnética. La idea es encontrar una molécula que contenga núcleos atómicos que se puedan hacer girar hacia arriba o hacia abajo a energías ligeramente diferentes. Esto permite abordar cada núcleo por separado utilizando la técnica de resonancia magnética.
Esto implica colocarlos en un poderoso campo magnético, golpearlos con ondas de radio y luego escuchar el eco. (Cualquiera que haya tenido una resonancia magnética habrá recibido el mismo tratamiento).
La técnica funciona con todo tipo de moléculas como acetona, cafeína e incluso alcohol, aunque el equipo de IBM / Stanford utilizó una molécula exótica conocida como complejo de perfluorobutadienil hierro para obtener sus siete qubits. Y también funciona a temperatura ambiente, lo cual es útil.
Pero aquí está la cuestión. La señal de una sola molécula es demasiado débil para que esta técnica la capte, por lo que debe usar una taza llena de moléculas para hacer el cálculo. Y eso impone límites severos a la escalabilidad de la técnica.
El uso de moléculas más grandes para aumentar el número de qubits reduce drásticamente la señal que puede captar de cada qubit. Entonces, la técnica de resonancia magnética que usa una taza llena de moléculas no funciona para muchos más que un puñado de qubits.
Por eso los físicos han estado estancados durante tanto tiempo. Nadie sabía cómo aumentar el número de qubits, hasta ahora.
Hoy, Mike Grinolds y sus amigos de la Universidad de Harvard dicen que han resuelto el problema. Y la forma en que lo han hecho es reducir el extremo comercial de una máquina de resonancia magnética al tamaño de la cabeza de un alfiler. (Si alguna vez ha visto una máquina de resonancia magnética, sabrá qué hazaña es).
Lo hicieron colocando un poderoso imán en la punta de escaneo de un microscopio de fuerza atómica. De esta manera, pueden crear un poderoso gradiente de campo magnético en un volumen de espacio de unos pocos nanómetros de diámetro. Eso les permite estimular y controlar la resonancia magnética de electrones individuales.
Probaron su dispositivo en las llamadas vacantes de nitrógeno en diamantes. Estos se crean enterrando átomos individuales de nitrógeno en láminas delgadas de diamante. Los físicos cuánticos están fascinados con estas vacantes porque están bien protegidos del mundo exterior y son muy estables, y son fáciles de ver por los fotones que emiten.
Estas vacantes también se pueden colocar juntas para que puedan interactuar entre sí, un requisito crucial para las computadoras cuánticas porque permite la creación de puertas lógicas cuánticas con más de un conjunto de entradas y salidas.
Pero tales puertas solo funcionarán si los electrones en las vacantes se pueden manipular de la manera correcta.
Eso es exactamente lo que permite la nueva técnica de resonancia magnética: la manipulación de electrones de una manera que podría adaptarse fácilmente para la computación cuántica.
Grinold y sus colegas dicen que esto tiene aplicaciones potenciales interesantes que van desde magnetómetros sensibles a nanoescala hasta procesadores de información cuántica escalables.
Ese es un avance emocionante. Las vacantes de nitrógeno en el diamante están bien estudiadas en muchos laboratorios de todo el mundo y los microscopios de fuerza atómica son piezas bastante estándar. Agregue eso al hecho de que la primera computadora cuántica a gran escala seguramente le hará ganar a su dueño un premio decente y usted tiene todos los ingredientes para una carrera espectacular.
Y eso sin mencionar los numerosos otros corredores: trampas de iones, cavidades cuánticas, qubits superconductores y puertas lógicas ópticas y similares.
En la carrera de obstáculos de la computación cuántica, una vez pareció que la resonancia magnética había caído al principio. Ahora está de vuelta en la carrera nuevamente y persiguiendo el plomo.
Ref: arxiv.org/abs/1103.0546 : Control cuántico de espines proximales mediante imágenes de resonancia magnética a nanoescala
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