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» » » Hacia una Internet cuántica

Referencia: KurzweilAI.net, 3 de mayo 2013

Un equipo australiano, dirigido por investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur, son los primeros en el mundo en detectar el espín, o estado cuántico, de un átomo a través de un enfoque combinado óptico y eléctrico.

Esto es un gran avance para la ciencia cuántica que nos acerca a una realidad en la perspectiva de una red de ordenadores cuánticos ultra poderosos, conectados a través de un internet cuántica, comentan los investigadores.

El estudio es una colaboración entre investigadores del Centro ARC de Excelencia en la Computación Cuántica y la Tecnología de la Comunicación de la UNSW, la Universidad Nacional de Australia y la Universidad de Melbourne.

El profesor de la UNSW, Sven Rogge, dijo que esta hazaña técnica se consiguió con un solo átomo de erbio, un elemento de tierras raras, comúnmente utilizado en las comunicaciones, incrustado en el silicio.

"Tenemos lo mejor de ambos mundos con nuestra combinación de un sistema eléctrico y óptico. Esto es una técnica nueva y revolucionaria, y había serias dudas de que fuese posible hacerlo. Es un primer paso hacia una Internet cuántica mundial", señalaba Rogge.

¿Cómo funcionan los ordenadores cuánticos?

Las computadoras cuánticas prometen ofrecer un aumento exponencial de la potencia de procesamiento sobre las computadoras convencionales mediante el uso de un solo electrón o núcleo de un átomo, que es la unidad básica de procesamiento, un bit cuántico, o qubit.

Al realizar múltiples cálculos simultáneamente, se espera que los ordenadores cuánticos tengan aplicaciones en la modelización económica, en las búsquedas rápidas en bases de datos, en el modelado de materiales cuánticos y moléculas biológicas y de drogas, y en encriptación y descifrado de la información.

En un qubit, la información se almacena en el espín, u orientación magnética, del electrón o el núcleo. Debido a una propiedad cuántica conocida como superposición, el espín puede ser de arriba o de abajo, o en ambos estados a la vez. Para producir un qubit funcional, los científicos deben ser capaces de controlar, o cambiar, el estado de espín y luego detectar, o "leer" el mismo.

Para leer el espín de un solo átomo, los investigadores utilizaban previamente o bien el método eléctrico o el método óptico, pero no ambos métodos conjuntamente.

Combinando luz y electrones

Para crear el nuevo dispositivo cuántico, el profesor asociado Jeffrey McCallum, de la Universidad de Melbourne, utilizó un implantador de iones que dispara a los átomos de erbio dentro de un transistor industrial estándar de silicio.

Cuando el átomo se encontraba en un estado cuántico particular y la luz del láser brillaba sobre él, se derribaba un electrón del átomo. Esto era detectado eléctricamente, por la conmutación en el transistor de silicio.

El Dr. Chunming Yin, de la UNSW, autor principal del estudio, decía que este nuevo enfoque abre la posibilidad de utilizar la luz para acoplar los átomos, o qubits, y formar una computadora cuántica.

"La alta resolución espectral de la frecuencia óptica supera la amplia limitación térmica de la previa instalación eléctrica de lectura, y la etapa de detección de carga evita las dificultades de una recolección eficiente de fotones", explicaban los investigadores en Nature.

"Este enfoque podría conducir a nuevas arquitecturas para los dispositivos de procesamiento de información cuántica, lo que podría aumentar drásticamente el rango de fallos que pueden ser explotados. Por otra parte, la eficiente detección eléctrica de una

excitación óptica de sitios individuales en el silicio, representa un paso importante hacia el desarrollo de interconexiones entre la computación cuántica óptica y las tecnologias del silicio."

"Uso de la luz para transferir información en el estado cuántico es más fácil que hacerlo eléctricamente. En última instancia, esto conducirá a unas comunicaciones cuánticas a través de largas distancias", dijo Yin.

El profesor Mateo Sellars, de la Universidad Nacional de Australia, señalaba que era un paso hacia la conexión de un ordenador cuántico de estado sólido para lo que será la internet cuántica. "La Internet cuántica permitirá ordenadores cuánticos independientes que serán integrados y permitirán las comunicaciones cifradas."

El profesor Rogge, por su parte, añadió que el descubrimiento ha sido posible gracias a la combinación de la experiencia de tres grupos. El paso siguiente será controlar el espín del átomo de erbio, lo cual debería ser relativamente sencillo, y también para replicar sus resultados, utilizando un átomo de fósforo incorporado en el silicio.

Los sistemas de comunicación cuánticos serían críticos a la hora de proporcionar comunicaciones seguras para las industrias del gobierno, militar, defensa, finanzas empresariales y salud, pero deberá pasar por lo menos otra década antes de que el potencial de la computación cuántica se realice plenamente, apuntaron los investigadores.

"No podemos dar una fecha firme, ya que es demasiado pronto", señaló Rogge. "Tenemos una tecnología disponible, pero nos falta que funcione el canal de comunicación."


- Imagen 1) La luz láser se dirige a un solo átomo de erbio en un chip de silicio. Crédito, Universidad de Nueva Gales del Sur.
- Imagen 2) Espectroscopia de fotoionización de un solo ion de erbio. Abajo: escaneo de micrografía electrónica coloreada de un típico dispositivo transistor de un solo electrón utilizado en este estudio y una estructura de banda de iones de erbio en silicio. (CB: banda de conducción; VB: banda de valencia). Arriba: Sección transversal esquemática del transistor de un solo electrón, que muestra el direccionamiento óptico de los iones de erbio individuales. Crédito: Chunming Yin et al./Nature)
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