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.



8 Comentarios

      1. porque el hongo de la levadura le impide junto a la vitamina D antioxidante se le acorten los telómeros, así la vida se alarga como en las cercanías del vórtice y ergósfera de una black hole. primero cumpliremos las 140 traslaciones terrestres circunvalando la estrella y luego podremos montar en una nave con motor de antimateria rumbo a la nube de Oort, y el primer planeta potencialmente habitable que encontraron en 2010 a solo 20 años luz.

  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.

  2. 6 horas hasta el colapso decoherente, es mejor que un SSD, una RERAM de memristores y la espintrónica de los skirmiones que Francis tan bien explicó. Nada mal esto de almacenar qubits entrelazados adiabáticos en ramificaciones guardaestados de lo que querramos guardar ¿para cuando se podrá decir lo mismo en almacenamiento de antihidrógeno ante la crisis energética que ya se nos echa encima y hasta que la Lockheed Martin tenga operativo y comercial su reactor pequeño y barato a 100 MW de fusión nuclear?

  3. No sabía de la nomenclatura en cutrit y cudit, pero si algo del neodimio como truco para vencer la interacción gravitatoria por sobre la magnética, ahora el europio es todo un metamaterial de tan alta masa atómica y su colosal orbitrónica que es como lograr nuevos materiales (el problema de la estabilización lo es todo en el asunto de lograrlo supongo). En el film de Nolan Cooper asegura que se trata de una anomalía gravitatoria a la que venerar arrojando una moneda sobre la misma ¡pero en que fuerza piensa uno primero si se adhiere una moneda a la misma? así uno tarda de 3 a 5 minutos en entender de qué están hablando Cooper y el guionista. Saludos a los que siguen el blog y a quien con el esmero de siempre lo produce.

Deja un comentario

Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 8 enero, 2015
Categoría(s): ✓ Ciencia • Computación cuántica • Física • Nature • Noticias • Physics • Science
Etiqueta(s): ,