Cubits de estado sólido con una vida media de seis horas

Dibujo20150108 Quantum postal service - nature 517153a-f1

El regalo de Reyes más esperado por quieres trabajan en ordenadores cuánticos es un cubit (bit cuántico) robusto durante 24 horas. Se publica en Nature un cubit con una vida útil de seis horas (suficiente para transportarlo por avión de Londres a New York*). Este cubit está codificado en el espín (momento magnético) de núcleos atómicos de europio (Eu) en un cristal de ortosilicato de itrio (YSO) enfriado a unos dos kelvin. Cubits similares se habían fabricado con átomos de otras tierras raras como neodimio (Nd) y praseodimio (Pr), pero no superaban más de unos minutos.

Estos cubits de tierras raras en cristales de YSO son ideales como memorias cuánticas, pero tienen el problema de la escritura por medios ópticos. El nuevo cubit de Eu resuelve este problema ya que presenta un fuerte acoplo óptico. Además, el espín nuclear 5/2 del Eu tiene 6 niveles de energía por lo que permitiría desarrollar un cudit (dígito cuántico) con 6 estados (recuerda que el cubit tiene dos estados, el cutrit tiene tres estados y, en general, el cudit tiene d estados).

Recomiendo leer a John J. L. Morton, Klaus Mølmer, «Quantum information: Spin memories in for the long haul,» Nature 517: 153-154, 08 Jan 2015, que se hacen eco de Manjin Zhong et al., «Optically addressable nuclear spins in a solid with a six-hour coherence time,» Nature 517: 177-180, 08 Jan 2015.

(*) César Tomé, aka @EDocet, nos recuerda en Twitter que ya no existe el Concorde (que realizaba el viaje Londres-New York en 380 minutos), ahora son necesarias unas 7 horas; sin embargo, sigue habiendo aviones supersónicos.

Dibujo20150108 illustration of frozen core - Optically addressable nuclear spins in a solid - nature14025-f3

El nuevo cubit tiene aplicaciones que no son factibles con otras propuestas (su tasa de decoherencia de 8 × 10–5 por segundo y su vida media es de 370 ± 60 minutos). Gracias a sus seis horas de vida media se convierte en razonable transportar físicamente el cristal que contiene el cubit mediante mensajería más allá de los 200 km que permiten las técnicas de comunicación cuántica por vía óptica. A una velocidad de transporte de 9 km/h las pérdidas durante el transporte se estiman en 0,16 ± 0,03 dB/km, menor que las pérdidas em la transmisión de fotones en fibras óptica (unos 0,2 dB/km cuando no se usan fibras autoamplificadas mediante dopado con erbio). El transporte a una velocidad de unos 100 km/h implica que ~14% de los cubits no se vean afectados.

Otra aplicación posible es su uso como memorias cuántica en sistemas móviles de cifrado cuántico de información. Por supuesto, este envío físico del cubit se realizará en contadas ocasiones (quizás sólo en algunos experimentos de laboratorio) por el alto coste del sistema criogénico necesario. A temperatura ambiente los mejores cubits alcanzan vidas medias de minutos (el récord en silicio ronda los 40 minutos). Futuros avances son necesarios para alcanzar el tan deseado hito de las 24 horas (1440 minutos).

Dibujo20150108 Experimental set-up and pulse sequences - nature14025-f5

El nuevo cubit se basa en la transición hiperfina del estado fundamental electrónico (7F0) de iones de europio (151Eu3+) que actúan como dopantes en un cristal de ortosilicato de itrio (Y2SiO5). Los estados hiperfinos doblemente degenerados (l = ± 1/2, ± 3/2, ± 5/2) se separan aplicando un campo magnético (efecto Zeeman) de 1,35 ± 0,07 T (teslas) en una dirección apropiada (la técnica se llama ZEFOZ, siglas de ZEro First-Order Zeeman). Las medidas de la coherencia del cubit se basan en la comparación de los resultados experimentales obtenidos con resonancia magnética nuclear y las predicciones teóricas.

En resumen, un trabajo prometedor que muestra que los avances hacia el cubit ideal son firmes y en un lustro podría alcanzarse una coherencia superior a 24 horas.



5 Comentarios

  1. Perdonad la pregunta tonta (no soy físico ni tengo conocimientos de cuántica). Por qué le das tanta importancia al «transporte» del ordernador cuántico ?

    1. Hola Fran.

      El problema no es transportar el ordenador, sino poder transportar la información cuántica. Yo puedo preparar en un laboratorio ciertos estados cuánticos y luego tener que enviarlos a otro laboratorio para realizar algún proceso, y eso es muy complicado. La mayoría de los estados cuánticos mantienen su carácter cuántico un tiempo del orden de microsegundos, y por eso transportarlos es complicado. Las opciones hasta ahora es transportarlo mediante fotones (luz), que se transmite muy rápido, pero también tiene muchas pérdidas por el camino.

      Conseguir un estado cuántico que mantenga sus propiedades durante segundos es un gran logro. Horas ya es una pasada. La cuestión es ver también cómo de fáciles luego manipular estos estados. El problema con los qubits de espín nuclear es que son muy robustos porque interaccionan muy poco con el entorno, y eso hace difícil el manipularlos.

      En cualquier caso este es un trabajo muy interesante. Ahora estamos viviendo la segunda revolución cuántica, que consiste en la capacidad de manipular sistemas cuánticos individuales, y es todo una verdadera pasada.

      Gracias Francis por el post.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 8 enero, 2015
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