La unión de cuatro puntos mejora la escalabilidad de la computación cuántica

Los ordenadores cuánticos aspiran a resolver problemas complejos a los que ni siquiera las mayores supercomputadoras del mundo pueden hacer frente, como descifrar códigos de cifrado modernos, realizar ciertas búsquedas en bases de datos o modelar moléculas biológicas y fármacos. Sin embargo, todavía queda mucho por investigar.

Por ejemplo, se ha demostrado que un solo electrón atrapado en una nanoestructura semiconductora puede ser la pieza básica sobre la que armar un ordenador cuántico. Pero antes de que estos equipos puedan ser una realidad, los científicos necesitan desarrollar una arquitectura escalable que permita un control total sobre los electrones individuales en las matrices de cálculo.

En esta línea, un equipo del centro de investigación RIKEN en Japón, en colaboración con investigadores de la Universidad de Purdue en Estados Unidos, han demostrado la escalabilidad de los puntos cuánticos atrapando y controlando cuatro electrones en un solo dispositivo.

Según explica RIKEN en un comunicado, los electrones tienen una propiedad conocida como espín que puede rotar hacia arriba o abajo. Se trata de la misma codificación binaria que se usa en la informática convencional, pero en este caso los electrones también pueden estar vinculados para formar bits cuánticos, o qubits, capaces de tener dos estados al mismo tiempo y mejorar con ello el rendimiento computacional.

Los circuitos de puntos cuánticos son una de las vías prácticas más prometedoras para aprovechar ese potencial. Un punto cuántico crea un campo eléctrico demasiado profundo para que el electrón escape, permitiendo que los electrones individuales se limiten a un espacio de sólo unos pocos nanómetros de diámetro.

Cuatro puntos

Hasta ahora los científicos han creado dispositivos de dos y tres puntos cuánticos, pero un procesador verdadero necesitaría muchos más. El equipo liderado por Matthieu Delbecq ha utilizado un enfoque similar para crear una estructura de cuatro puntos, lo que demuestra la escalabilidad de esta arquitectura.

"El número de electrones manipulados sólo se incrementa por uno con respecto a estructuras anteriores”, explica Delbecq, "pero incluso una pequeña subida como esta aumenta significativamente la complejidad de manipulación del dispositivo".

Cada uno de los puntos del dispositivo creado por el equipo de Delbecq estaba formado por tres electrodos metálicos a nanoescala sobre un sustrato semiconductor. La potencia de este acoplamiento se sintonizó ajustando los voltajes aplicados a los electrodos. Todo ello se logró a temperaturas extremadamente bajas, apenas una fracción por encima del cero absoluto.

El resultado fue un esquema apto tanto para controlar los electrones en los cuatro puntos cuánticos como para medir o leer el estado de espín de los electrones. "El siguiente paso es formar cuatro qubits espín con esta arquitectura y utilizarlos para hacer cálculos reales", añade Delbecq.

Los resultados de este estudio demuestran que la arquitectura de puntos cuánticos tiene potencial suficiente para su ampliación hasta el número de qubits necesarios para desarrollar un ordenador cuántico completamente funcional.

Precisión atómica

Los puntos cuánticos son a menudo considerados como átomos artificiales, ya que, como los reales, sus electrones se limitan a estados cuantificados con energías discretas. Pero la analogía se rompe rápidamente, ya que mientras los átomos reales son idénticos, los puntos cuánticos generalmente comprenden cientos o miles de átomos, con variaciones inevitables en tamaño y forma y, en consecuencia, en sus propiedades y comportamiento.

Ahora, un equipo de físicos del Paul Drude Institut (PDI) de Berlín, Alemania, en colaboración con el NTT Basic Research Laboratories de Japón, y el Laboratorio de Investigación Naval (NRL) de EEUU han conseguido una reproducibilidad perfecta de estos puntos, con tamaño y forma idéntica, lo que abre la puerta a una arquitectura completamente libre de variaciones incontroladas.

Según explica el NRL en un comunicado, la creación de estos puntos de precisión atómica requiere que cada átomo se coloque en un lugar determinado con exactitud y sin margen de error. Para ello, el equipo montaba los puntos átomo por átomo, utilizando un microscopio de efecto túnel (STM), sobre una plantilla que servía de guía con las posiciones exactas de los átomos permitidos. El resultado eran cadenas lineales de entre 6 y 25 átomos de indio.

Al colocar cada átomo siempre en el mismo lugar, el punto cuántico resultante es esencialmente idéntico, sin variación intrínseca en el tamaño, forma o posición. Esto significa que los puntos cuánticos "moléculas", es decir, aquellos que constan de varias cadenas acopladas, reflejarán la misma invariancia.

Steve Erwin, físico del NRL, asegura que esto “simplifica en gran medida la tarea de crear, proteger y controlar estados degenerados en las moléculas de puntos cuánticos”, requisito previo importante para muchas tecnologías.

La reproducibilidad y alta fidelidad que ofrecen estos puntos cuánticos los convierten en excelentes candidatos para el estudio de la física fundamental, enturbiada normalmente por las variaciones fortuitas de tamaño, forma o posición de las cadenas. De cara al futuro, el equipo también anticipa que la eliminación de variaciones incontroladas en la arquitectura de los puntos cuánticos ofrecerá muchos beneficios a una amplia gama de tecnologías.