El sueño de construir ordenadores cuánticos más potentes ha dado un paso gigante gracias a un reciente logro en Harvard. Durante décadas, las moléculas fueron descartadas como candidatas en computación cuántica debido a su complejidad y fragilidad. Sin embargo, un equipo de investigadores liderado por Kang-Kuen Ni logró lo que parecía imposible: manipular moléculas ultrafrías y realizar operaciones cuánticas con ellas, abriendo nuevas fronteras en la tecnología cuántica.
Esta hazaña, publicada en Nature, empleó moléculas de sodio-cesio (NaCs) atrapadas con pinzas ópticas, láseres diseñados para inmovilizar objetos diminutos con precisión extrema. Según Ni, este avance llega tras décadas de intentos fallidos: “Como campo, llevamos 20 años tratando de lograr esto y finalmente lo hemos conseguido”.
El desafío de usar moléculas en computación cuántica
Las moléculas son estructuras complejas, compuestas por múltiples átomos que interactúan mediante enlaces químicos. Su comportamiento interno, aunque prometedor, es extremadamente difícil de controlar, lo que las hace inestables para aplicaciones cuánticas. En comparación, otros enfoques como los átomos neutros o iones atrapados ofrecen mayor simplicidad y estabilidad, lo que explica su predominio en la computación cuántica hasta ahora.
Sin embargo, las moléculas tienen ventajas únicas. Poseen interacciones dipolares fuertes y una estructura interna rica, que pueden ser aprovechadas para operaciones avanzadas y escalabilidad en los sistemas cuánticos. Este potencial, combinado con los avances recientes en técnicas de enfriamiento y atrapamiento, ha cambiado la percepción sobre su viabilidad.
Los científicos enfrentaron dos grandes retos: mantener las moléculas lo suficientemente frías para evitar movimientos incontrolados y diseñar un sistema que permitiera controlarlas con precisión cuántica. Superar estas barreras ha requerido avances tecnológicos y experimentales significativos.
Características importantes de NaCs:
- Heteronuclear: Está formada por dos átomos diferentes, lo que contribuye a que tenga un momento dipolar significativo.
- Momento dipolar: Este permite interacciones dipolares fuertes entre moléculas, fundamentales para generar entrelazamiento cuántico.
- Estabilidad en ambientes ultrafríos: NaCs puede ser atrapada y manipulada en condiciones de ultrafrío, lo que reduce su movimiento térmico y facilita operaciones precisas.
¿Cómo se logró? Tecnología y métodos innovadores
El equipo utilizó pinzas ópticas para atrapar las moléculas de NaCs en un entorno ultrafrío, a temperaturas cercanas al cero absoluto. Estas pinzas emplean rayos láser cuidadosamente polarizados que estabilizan a las moléculas y minimizan su movimiento.
Por otra parte, los investigadores aprovecharon las interacciones dipolares entre las moléculas para realizar operaciones cuánticas. Estas interacciones, que ocurren entre las cargas eléctricas positivas y negativas de las moléculas, son clave para generar entrelazamiento cuántico, un estado donde las partículas quedan correlacionadas independientemente de la distancia que las separe.
Con un control preciso, lograron crear un estado de Bell entre dos moléculas con una fidelidad del 94 %. Este tipo de entrelazamiento es esencial para construir puertas lógicas cuánticas como la iSWAP, que permite intercambiar información entre qubits.
Entrelazamiento cuántico y la puerta iSWAP
En computación clásica, los bits son la unidad mínima de información y solo pueden estar en uno de dos estados: 0 o 1. Los qubits, en cambio, pueden estar en superposición, es decir, en ambos estados al mismo tiempo. Esto multiplica exponencialmente la capacidad de cálculo de un sistema cuántico.
El experimento de Harvard implementó una puerta lógica cuántica llamada iSWAP, que no solo intercambia los estados de dos qubits, sino que también introduce un desfase de fase, un requisito crucial para generar entrelazamiento. Según el artículo, el equipo utilizó un tiempo de interacción de 664 microsegundos para crear un estado de Bell, lo que representa un avance significativo en términos de velocidad y precisión.
Aplicaciones futuras y el impacto del avance
Este hito no solo marca un logro técnico: también allana el camino para ordenadores cuánticos moleculares, una nueva clase de dispositivos más potentes y versátiles. Los sistemas moleculares podrían usarse en áreas como:
- Simulación de materiales complejos: Las moléculas pueden imitar estructuras atómicas complejas, facilitando el diseño de nuevos materiales.
- Optimización en finanzas: Resolver problemas de optimización a gran escala que actualmente requieren recursos computacionales inmensos.
- Avances médicos: Modelar interacciones químicas y biológicas para diseñar medicamentos más eficaces.
Según Ni, existe un enorme espacio para innovaciones que aprovechen las ventajas únicas de las moléculas en la computación cuántica”.
Referencias
- Picard, L.R.B., Park, A.J., Patenotte, G.E., Gebretsadkan, S., Wellnitz, D., Rey, A.M., Ni, K.K. (2024). Entanglement and iSWAP gate between molecular qubits. Nature. DOI: 10.1038/s41586-024-08177-3.
Cortesía de Muy Interesante
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