Un paso más hacia la computación cuántica se dio cuando un equipo de científicos procesa la información en el espín del electrón (azul) y se almacena en el spin nuclear (amarillo) de átomos de fósforo a través de una combinación de microondas y pulsos de radio frecuencia.
Un paso más hacia la computación cuántica - el Santo Grial de procesamiento y almacenamiento de datos - se logra cuando un equipo internacional de científicos que incluye investigadores de los EE.UU. Departamento de Energía del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) fueron capaces de almacenar con éxito y recuperar la información mediante
el núcleo de un átomo.
En un documento titulado: "de estado sólido de la memoria cuántica utilizando el espín nuclear de 31P", publicado en el 23 de julio de la revista Nature ,
el equipo describe un experimento en el que los cristales excepcionalmente puros y controlados con isótopos de silicio dopado se precisa con átomos de fósforo . La información cuántica se procesó en los electrones del fósforo, se transfirieron a los núcleos de fósforo, y posteriormente transferido de vuelta a los electrones. Esta es la primera demostración de que un núcleo atómico solo puede servir como memoria cuántica computacional.
John Morton de la Universidad de Oxford fue el autor principal. Co-autor del papel del laboratorio de Berkeley fueron Thomas Schenkel, Eugene Haller y Joel Ager. Otros coautores fueron Richard Brown, Brendon Lovett y Arzhang Ardavan la Universidad de Oxford, y Alexei Tyryshkin, Shyam Shankar y Stephen Lyon, de Princeton, la Universidad.
La tentación inmediata de la computación cuántica es cegadora velocidad: una computadora cuántica podría realizar ciertas tareas matemáticas, como el factoring, miles de millones de veces más rápido que las supercomputadoras más potentes de la actualidad.
Más allá de eso, la computación cuántica debería hacer posible realizar cálculos que no pueden ser considerados con la actual tecnología "clásica"
de la informática. El secreto detrás de la computación cuántica son las propiedades extrañas, contrarias a la intuición, pero real, demostrable de la mecánica cuántica.
En la computación clásica, la información se procesa y se almacena la base de la carga de un electrón, y se representa en un dígito binario o "bit".
Cada bit tiene un valor de 0 (sin carga) ó 1 (con cargo). La computación cuántica utiliza una propiedad cuántica intrínseca denominada "espín", en el que ciertas partículas pueden actuar como si fueran pequeños imanes de barra. La vuelta se le asigna un estado direccional de "arriba" o "abajo", que puede ser usado para codificar los datos de 0s y 1s.
Sin embargo, a diferencia de carga en la computación clásica, que está presente o no, puede ser centrifugado arriba, hacia abajo o de ambos,
gracias a un efecto cuántico llamado "superposición".
Superposición de manera exponencial amplía las capacidades de almacenamiento de un bit de datos cuántico o "qubit".
Considerando que un byte de datos clásicas, compuestas de tres bits, sólo puede representar una de las combinaciones posibles de ocho 0s y 1s,
un equivalente cuántico (a veces llamado qubyte) puede representar las ocho combinaciones a la vez.
Además, gracias a otra propiedad cuántica llamado "entrelazamiento",
las operaciones en las ocho combinaciones se pueden realizar simultáneamente.
De los muchos retos que enfrenta la computación cuántica, uno de los mayores ha sido encontrar una forma de preservar la integridad de los datos
mientras se almacena.
Aunque el giro de los electrones se ha demostrado muy apropiada para el procesamiento de datos, es demasiado frágil para ser utilizada como memoria - los datos rápidamente se daña por la influencia de otros electrones.
Para superar este obstáculo, los co-autores de este experimento se dirigió a los alrededores más protegidas del núcleo atómico.
" En esta emocionante colaboración con colegas de Oxford y Princeton, nos han informado sobre una manifestación muy importante de transferencia de información coherente entre el espín del electrón (procesamiento qubit) y el spin nuclear (qubit memoria) de los átomos de fósforo en los cristales de silicio isotópicamente enriquecidos ", , dijo el coautor Schenkel, un físico en el Acelerador del Laboratorio de Berkeley y de la División de Investigación de Fusión, que ha sido un líder en el uso de haces de iones para el desarrollo de estructuras cuánticas de pruebas informáticas.
" La información que el espín del electrón se almacenó fielmente en el spin nuclear por casi dos segundos (miles de veces más que nunca informó de otros estudios similares), y luego transferido de nuevo a el espín del electrón
con la fidelidad de 90 por ciento ", dijo Schenkel.
En este estudio, los co-autores crearon un estado de superposición en el espín del electrón y la transfirió a spin nuclear utilizando una combinación de pulsos de microondas y la radiofrecuencia, que aplicaron al fósforo-31.
Este isótopo estable del fósforo es el donador de electrones ideal para silicio-28, el isótopo estable de silicio que es la base de la tecnología informática de hoy. Dijo el autor principal de Morton en un comunicado, "el electrón actúa como un intermediario entre el núcleo y el mundo exterior.
Nos da una manera de tener nuestro pastel y se lo comen -.
Velocidades de procesamiento rápido de la electrónica, y los largos tiempos de memoria del núcleo "
Para garantizar el éxito de este estudio fueron los 28 excepcionalmente puros cristales de silicio creado por los coautores de Haller y Ager.
Haller es una autoridad mundial en el crecimiento de cristales y la purificación y se le atribuye el lanzamiento de la era moderna de la investigación de semiconductores enriquecimiento isotópico.
Ager diseñado y construido un reactor único en su tipo para la creación de silicio enriquecimiento isotópico y sacarosa químicamente pura, con una alta eficiencia de conversión.
Dicho Haller, "Los cristales de silicio natural contiene 4,7 por ciento del isótopo de silicio-29, además de silicio-28 y 30-silicio. Para este estudio se necesitan cristales de silicio que no eran sólo químicamente pura, pero pura isotópicamente así porque el silicio-29 tiene un espín nuclear que pudiera interferir con la lectura de los espines de los electrones y nuclear del fósforo. "
Puesto que los cristales de silicio que se dopados consistiría en miles de millones de átomos, la creación de cristales de silicio isotópicamente puros
-28 fue un proceso laborioso.
Una vez que estos cristales excepcionalmente puros fueron creados, que luego tuvo que ser dopado con fósforo-31 en áreas específicas del cristal y la cantidad justa - el compromiso de que Ager en comparación con la adición de una persona adicional a la población de la Tierra en una dirección en particular.
Ahora que se ha demostrado que los datos de electrones de espín se pueden almacenar y recuperar a través de espín nuclear, los pasos futuros requerirá mejorar el control de giro y los mecanismos de lectura.
Además, mientras que el tiempo de la memoria cuántica observado en este estudio es excepcionalmente largo para los estándares anteriores, debe mantenerse la posibilidad de ampliar de manera significativa en esta ocasión.
" La buena noticia es que no hay límites físicos saben que impidan el tiempo la memoria cuántica de espín nuclear de ser más ", dijo Ager.
"Con la pureza aún mayor isotópica y química de los cristales de silicio nuestros, debemos ser capaces de almacenar datos en el núcleo durante un periodo arbitrario de tiempo prolongado, tal vez incluso en términos de años."
La parte del Laboratorio de Berkeley de esta investigación fue financiada en parte por los EE.UU. Departamento de Energía de la Oficina de Ciencia, a través de la Ciencias de los Materiales e Ingeniería de las Ciencias Básicas de Energía los programas, y en parte
por la Agencia de Seguridad Nacional.
Berkeley Lab es un Departamento de Energía de EE.UU. laboratorio nacional ubicado en Berkeley, California. Lleva a cabo investigación científica sin clasificar y es manejado por la Universidad de California.
Fuente: Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
