El primer qubit mecánico del mundo no utiliza luz ni electrónica. Podría conducir a una tecnología de detección de gravedad ultraprecisa.
Los científicos han creado una única unidad de información cuántica utilizando un circuito superconductor y un cristal de zafiro vibrante.
Los científicos han creado el primer qubit mecánico del mundo: un pequeño sistema en movimiento que almacena información cuántica utilizando vibraciones en lugar de corrientes eléctricas o luz.
Los Qubits son las unidades fundamentales de la información cuántica. A diferencia de los bits que encontrarías en una computadora clásica, los qubits pueden existir como 0, 1 o una superposición de ambos, gracias al extraño funcionamiento interno de la mecánica cuántica y el entrelazamiento.
Tradicionalmente, están hechos de circuitos superconductores, átomos (iones) cargados o partículas ligeras (fotones). El nuevo qubit mecánico, sin embargo, utiliza fonones (un tipo de "cuasipartícula") generado por vibraciones dentro de un cristal de zafiro diseñado con precisión.
Una cuasipartícula es un concepto utilizado para describir el comportamiento y las interacciones de un grupo de partículas como si actuaran como una sola partícula. En este caso, los fonones representan cuasipartículas que esencialmente sirven como portadores de energía vibratoria.
El avance podría allanar el camino para tecnologías de sensores ultrasensibles capaces de detectar fuerzas como la gravedad, así como nuevos métodos para mantener la estabilidad en computadoras cuánticas durante períodos más largos, dijeron los científicos. Publicaron su estudio el 14 de noviembre en la revista Science.
Relacionado: ¿Tendremos algún día portátiles cuánticos?
Históricamente, los sistemas mecánicos se han considerado demasiado desafiantes para ser utilizados como qubits porque, gracias a los principios de la mecánica cuántica, nunca están completamente quietos. Esto significa que siempre hay un movimiento residual que debe tenerse en cuenta y controlarse para que funcionen a nivel cuántico.
Del mismo modo, los osciladores mecánicos (dispositivos que almacenan y transfieren energía en forma de fonones) suelen estar sujetos a vibraciones armónicas en niveles de energía uniformemente espaciados. Esto es un problema, explicaron los científicos, porque el espaciado uniforme dificulta aislar los dos estados de energía necesarios para representar el 0 y el 1 de un qubit.
"[El desafío] es si se pueden hacer que los niveles de energía estén lo suficientemente espaciados de manera desigual como para poder abordar dos de ellos sin tocar los demás", dijo el coautor del estudio Yiwen Chu, físico de ETH Zürich. Ciencia.
Los investigadores abordaron este problema creando un sistema "híbrido", acoplando un resonador de cristal de zafiro que mide 400 micrómetros (0,4 mm) con un qubit superconductor y sintonizando los dos para que interactúen en frecuencias ligeramente desplazadas. Cuando el resonador y el qubit interactuaron, mezclaron sus estados cuánticos, lo que resultó en niveles de energía espaciados de manera desigual en el resonador, un fenómeno conocido como "anarmonicidad".
Esto permitió a los investigadores aislar dos estados de energía distintos, convirtiendo efectivamente el resonador en un qubit mecánico.
Si bien el qubit mecánico podía contener y manipular información cuántica, la fidelidad del sistema (una medida de la precisión con la que realiza operaciones cuánticas) se registró en sólo el 60%. En comparación, los qubits superconductores de última generación a menudo alcanzan fidelidades superiores al 99 %.
Aun así, los qubits mecánicos pueden ofrecer ventajas únicas, dijeron los científicos. Por ejemplo, pueden interactuar con fuerzas como la gravedad de maneras que otros sistemas cuánticos no pueden, lo que los convierte en candidatos prometedores para el desarrollo de sensores cuánticos altamente sensibles.
Dijeron que los qubits mecánicos también pueden almacenar información cuántica durante períodos de tiempo más largos. Esto es fundamental para mantener la coherencia, una medida de cuánto tiempo puede permanecer estable un sistema y realizar cálculos utilizando datos cuánticos sin interferencias.
Los investigadores ahora están trabajando para vincular múltiples qubits mecánicos para realizar cálculos básicos, lo que, según dijeron, marcaría un paso clave hacia las aplicaciones prácticas de la tecnología.