Nuevo modo de controlar núcleos atómicos como bits cuánticos

Los dispositivos basados en la mecánica cuántica, como ordenadores y sensores, deberían superar con creces a las tecnologías digitales convencionales en la realización de muchas tareas complejas. Pero fabricar estos dispositivos con la calidad suficiente para que funcionen ha sido todo un reto a pesar de las grandes inversiones realizadas por empresas tecnológicas y laboratorios académicos y gubernamentales.

Por ello, los dispositivos de este tipo que hoy en día operan razonablemente bien son muy modestos.

Los mayores ordenadores cuánticos actuales solo disponen de unos pocos cientos de bits cuánticos o "qubits", los equivalentes cuánticos de los bits digitales.

Ahora, un equipo integrado, entre otros, por Haowei Xu, Ju Li y Paola Cappellaro, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos, ha propuesto un nuevo enfoque con el cual obtener qubits y controlarlos para leer y escribir datos. El método, de momento teórico, se basa en medir y controlar los espines de los núcleos atómicos, utilizando haces de luz de dos láseres de colores ligeramente diferentes.

El espín es una manifestación de la mecánica cuántica que podría describirse como una flecha que apunta hacia una u otra dirección.

Los espines de los núcleos atómicos se han reconocido desde hace tiempo como posibles componentes básicos de los sistemas de procesamiento de información y comunicaciones basados en la mecánica cuántica, al igual que los fotones, las partículas elementales que son paquetes discretos, o "cuantos", de radiación electromagnética. Sin embargo, era difícil conseguir que estos dos objetos cuánticos funcionaran juntos porque los núcleos atómicos apenas interactúan con los fotones y las frecuencias naturales de unos y otros difieren entre seis y nueve órdenes de magnitud.

En el nuevo proceso, la diferencia en la frecuencia de un rayo láser entrante coincide con las frecuencias de transición del espín nuclear, empujando al espín nuclear a girar de una determinada manera.

El diagrama ilustra la forma en que dos rayos láser de longitudes de onda ligeramente diferentes pueden afectar a los campos eléctricos que rodean a un núcleo atómico, actuando de un modo que empuja el espín del núcleo en una dirección determinada, como indica la flecha. (Imagen: gentileza del equipo de investigación. CC BY-NC-ND 3.0)

El proceso es totalmente ajustable. Por ejemplo, uno de los láseres podría sintonizarse para que coincidiera con las frecuencias de los sistemas de telecomunicaciones existentes, convirtiendo así los espines nucleares en repetidores cuánticos que permitieran la comunicación cuántica a larga distancia.

Los intentos anteriores de utilizar la luz para influir en los espines nucleares fueron indirectos, acoplándose en su lugar a los espines de los electrones que rodean ese núcleo, que a su vez influirían en el núcleo a través de interacciones magnéticas. Pero esto, entre otros inconvenientes, provoca “ruido” adicional (interferencias) en los espines nucleares.

Xu y sus colegas exponen los detalles técnicos del nuevo sistema en la revista académica Physical Review X, con el título de “Two-photon interface of nuclear spins based on optonuclear quadrupolar effect”. (Fuente: NCYT de Amazings)