Esquema del dispositivo de puntos cuánticos creado. Fuente: Centro RIKEN.
Científicos del Centro RIKEN de Japón, junto con colaboradores de varias instituciones japonesas, han producido con éxito pares de electrones de espín entrelazado y han demostrado, por vez primera, que estos electrones permanecen entrelazados incluso cuando están separados uno de otro en un chip.
La investigación podría contribuir a la creación de redes cuánticas futuristas que operarán usando la teleportación cuántica, lo que podría permitir que la información contenida en bits cuánticos o qubits sea compartida entre muchos elementos de un chip, requisito clave para ampliar la potencia de los ordenadores cuánticos.
La posibilidad de crear pares de electrones entrelazados no locales - conocidos como pares Einstein-Podolsky-Rosen - a demanda ha sido durante mucho tiempo un sueño.
Russell Deacon, autor del trabajo, explica en un comunicado del Centro Riken: "Nos propusimos demostrar que los electrones de espín entrelazado podían ser producidos de forma fiable. Hasta el momento, los investigadores habían tenido éxito en la creación de fotones entrelazados, ya que los fotones son extremadamente estables y no interactúan. Los electrones, por el contrario, se ven profundamente afectados por su entorno. Elegimos para ello hacer la demostración a través de su giro (espín), una propiedad que es relativamente estable".
La investigación podría contribuir a la creación de redes cuánticas futuristas que operarán usando la teleportación cuántica, lo que podría permitir que la información contenida en bits cuánticos o qubits sea compartida entre muchos elementos de un chip, requisito clave para ampliar la potencia de los ordenadores cuánticos.
La posibilidad de crear pares de electrones entrelazados no locales - conocidos como pares Einstein-Podolsky-Rosen - a demanda ha sido durante mucho tiempo un sueño.
Russell Deacon, autor del trabajo, explica en un comunicado del Centro Riken: "Nos propusimos demostrar que los electrones de espín entrelazado podían ser producidos de forma fiable. Hasta el momento, los investigadores habían tenido éxito en la creación de fotones entrelazados, ya que los fotones son extremadamente estables y no interactúan. Los electrones, por el contrario, se ven profundamente afectados por su entorno. Elegimos para ello hacer la demostración a través de su giro (espín), una propiedad que es relativamente estable".
Cómo se hizo
Para llevar a cabo la hazaña, Diácono y sus colaboradores comenzaron el trabajo laborioso de fabricar un dispositivo minúsculo, de solo unos pocos centenares de nanómetros de tamaño.
La idea era tomar un par de Cooper -par de electrones que permite que la electricidad fluya libremente en los superconductores- y conseguir que, mientras se producía el efecto de túnel (un fenómeno cuántico) a través de una unión entre dos plomos superconductores, cada electrón pasara por dos puntos cuánticos separados (pequeños cristales que tienen propiedades cuánticas).
“Si podíamos detectar una corriente superconductora, eso significaría que los electrones, que pueden ser usados como bits cúanticos –los qubits o bits utilizados en computación cuántica- permanecerían entrelazados, incluso cuando hubiesen estado separados entre puntos cuánticos. Confirmamos esta separación midiendo una corriente superconductora que se produzco cuando se separaron y se recombinaron en el segundo plomo”.
Los puntos cuánticos, cada uno de alrededor de 100 nanómetros de tamaño, se situaron en posiciones aleatorias en un chip semiconductor. Este chip fue examinado cuidadosamente con un microscopio de fuerza atómica, con el fin de determinar qué pares de puntos estaba lo suficientemente cerca como para funcionar correctamente. "Observamos miles de puntos y se identificaron alrededor de un centenar que eran adecuados. De éstos hicimos una veintena de dispositivos, de los que solo funcionaron dos".
Resultados obtenidos
Mediante la medición de la corriente superconductora, el equipo fue capaz de demostrar claramente que el espín de los electrones permaneció entrelazado al pasar a través de los puntos cuánticos separados.
"Puesto que hemos demostrado que los electrones permanecen entrelazados incluso cuando se separan", dice Deacon, "esto significa que ahora podemos utilizar un dispositivo similar, aunque más complejo, para preparar pares de electrones entrelazados para teletransportar estados qubits a través de un chip".
Según Seigo Tarucha, director del laboratorio en el que se ha llevado a cabo el trabajo, "este descubrimiento es muy emocionante, ya que podría conducir eventualmente al desarrollo de aplicaciones tales como las redes cuánticas y la teleportación cuántica. Aunque es técnicamente difícil de manejar, el espín electrónico es muy prometedor para estas aplicaciones, ya que es relativamente ajeno al ambiente y tiene una duración relativamente larga. Se puede combinar con fotones, mediante el uso de electrones de espín entrelazado, para crear fotones en sí mismos entrelazados. Esto podría permitirnos crear grandes redes para compartir información cuántica, de una manera ampliamente distribuida".
Para llevar a cabo la hazaña, Diácono y sus colaboradores comenzaron el trabajo laborioso de fabricar un dispositivo minúsculo, de solo unos pocos centenares de nanómetros de tamaño.
La idea era tomar un par de Cooper -par de electrones que permite que la electricidad fluya libremente en los superconductores- y conseguir que, mientras se producía el efecto de túnel (un fenómeno cuántico) a través de una unión entre dos plomos superconductores, cada electrón pasara por dos puntos cuánticos separados (pequeños cristales que tienen propiedades cuánticas).
“Si podíamos detectar una corriente superconductora, eso significaría que los electrones, que pueden ser usados como bits cúanticos –los qubits o bits utilizados en computación cuántica- permanecerían entrelazados, incluso cuando hubiesen estado separados entre puntos cuánticos. Confirmamos esta separación midiendo una corriente superconductora que se produzco cuando se separaron y se recombinaron en el segundo plomo”.
Los puntos cuánticos, cada uno de alrededor de 100 nanómetros de tamaño, se situaron en posiciones aleatorias en un chip semiconductor. Este chip fue examinado cuidadosamente con un microscopio de fuerza atómica, con el fin de determinar qué pares de puntos estaba lo suficientemente cerca como para funcionar correctamente. "Observamos miles de puntos y se identificaron alrededor de un centenar que eran adecuados. De éstos hicimos una veintena de dispositivos, de los que solo funcionaron dos".
Resultados obtenidos
Mediante la medición de la corriente superconductora, el equipo fue capaz de demostrar claramente que el espín de los electrones permaneció entrelazado al pasar a través de los puntos cuánticos separados.
"Puesto que hemos demostrado que los electrones permanecen entrelazados incluso cuando se separan", dice Deacon, "esto significa que ahora podemos utilizar un dispositivo similar, aunque más complejo, para preparar pares de electrones entrelazados para teletransportar estados qubits a través de un chip".
Según Seigo Tarucha, director del laboratorio en el que se ha llevado a cabo el trabajo, "este descubrimiento es muy emocionante, ya que podría conducir eventualmente al desarrollo de aplicaciones tales como las redes cuánticas y la teleportación cuántica. Aunque es técnicamente difícil de manejar, el espín electrónico es muy prometedor para estas aplicaciones, ya que es relativamente ajeno al ambiente y tiene una duración relativamente larga. Se puede combinar con fotones, mediante el uso de electrones de espín entrelazado, para crear fotones en sí mismos entrelazados. Esto podría permitirnos crear grandes redes para compartir información cuántica, de una manera ampliamente distribuida".
Referencia bibliográfica:
R. S. Deacon, A. Oiwa, J. Sailer, S. Baba, Y. Kanai, K. Shibata, K. Hirakawa, S. Tarucha. Cooper pair splitting in parallel quantum dot Josephson junctions. Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/ncomms8446.
R. S. Deacon, A. Oiwa, J. Sailer, S. Baba, Y. Kanai, K. Shibata, K. Hirakawa, S. Tarucha. Cooper pair splitting in parallel quantum dot Josephson junctions. Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/ncomms8446.