Una técnica para manipular electrones con luz puede hacer que los microchips de los ordenadores sean un millón de veces más rápidos o incluso se vuelvan cuánticos.
Un equipo de investigadores en Alemania y en la Universidad de Michigan ha demostrado cómo los pulsos láser infrarrojos pueden desplazar electrones entre dos estados diferentes, el clásico 1 y 0, en una delgada lámina de semiconductor.
«La electrónica ordinaria está en el rango de gigahercios, mil millones de operaciones por segundo. Este método es un millón de veces más rápido», dijo Mackillo Kira, profesor de U-M de ingeniería eléctrica e informática.
Dirigió la parte teórica del estudio, que se publica en la revista Nature, en colaboración con físicos de la Universidad de Marburg en Alemania. El experimento se realizó en la Universidad de Regensburg en Alemania.
La computación cuántica podría resolver problemas que llevan demasiado tiempo en las computadoras convencionales, avanzando áreas como la inteligencia artificial, el pronóstico del tiempo y el diseño de fármacos. Las computadoras cuánticas obtienen su poder de la forma en que sus bits cuánticos mecánicos, o qubits, no son meramente 1 o 0, sin que pueden ser mezclas, conocidas como superposiciones, de estos estados.
«En una computadora clásica, cada configuración de bits debe almacenarse y procesarse uno por uno, mientras que un conjunto de qubits puede almacenar y procesar todas las configuraciones de una vez», dijo Kira.
Esto significa que cuando quieres ver un montón de posibles soluciones a un problema y encontrar la mejor opción, la computación cuántica puede llegar allí mucho más rápido.
Pero los qubits son difíciles de hacer porque los estados cuánticos son extremadamente frágiles. La principal ruta comercial, seguida por compañías como Intel, IBM, Microsoft y D-Wave, utiliza circuitos superconductores: bucles de alambre enfriados a temperaturas extremadamente frías, en los que los electrones dejan de colisionar entre sí, y en su lugar forman estados cuánticos compartidos a través de un fenómeno conocido como coherencia.
En lugar de encontrar una forma de aferrarse a un estado cuántico durante mucho tiempo, el nuevo estudio demuestra una forma de hacer el procesamiento antes de que los estados se desmoronen.
«A largo plazo, vemos una posibilidad realista de introducir dispositivos de información cuántica que realicen operaciones más rápido que una sola oscilación de una onda de luz», dijo Rupert Huber, profesor de física en la Universidad de Regensburg, quien dirigió el experimento. «El material es relativamente fácil de hacer, funciona en aire a temperatura ambiente, y con solo unos pocos átomos de espesor, es al máximo compacto».
El material es una sola capa de tungsteno y selenio en una red de nido de abeja. Esta estructura produce un par de estados de electrones conocidos como pseudoespines. No es el giro del electrón (y aun así, los físicos advierten que los electrones no giran realmente), sino que es una especie de momento angular. Estos dos pseudoespines pueden codificar el 1 y 0.
El equipo de Huber introdujo electrones en estos estados con rápidos pulsos de luz infrarroja, que duraron solo unos pocos femtosegundos (quintillésimas de segundo). El pulso inicial tiene su propio giro, conocido como polarización circular, que envía electrones a un estado de pseudoespín. Entonces, los pulsos de luz que no tienen un giro (polarizado linealmente) pueden empujar los electrones de un pseudoespín al otro y viceversa.
Al tratar estos estados como uno ordinario 1 y 0, podría ser posible crear un nuevo tipo de computadora ‘de onda de luz’ con velocidades millones de veces más rápidas. El primer desafío a lo largo de esta ruta será usar un tren de pulsos de láser para «voltear» los pseudoespines a voluntad.
Pero los electrones también pueden formar estados de superposición entre los dos pseudoespines. Con una serie de pulsos, debería ser posible realizar cálculos hasta que los electrones caigan de su estado coherente. El equipo demostró que podían voltear un qubit lo suficientemente rápido como para ejecutar una serie de operaciones, básicamente, es lo suficientemente rápido como para trabajar en un procesador cuántico.
Además, los electrones envían constantemente luz que facilita la lectura de un qubit sin alterar su delicado estado cuántico. La polarización circular en el sentido de las agujas del reloj indica un estado de pseudoespín, y en sentido antihorario el otro.
Los próximos pasos hacia la computación cuántica serán poner en marcha dos qubits a la vez, lo suficientemente cerca el uno del otro para que interactúen. Esto podría implicar el apilamiento de hojas planas de semiconductores o el uso de técnicas de nanoestructuración para fijar los qubits en una sola hoja, por ejemplo.
