Un avance en computación cuántica utiliza luz retorcida sin necesidad de enfriamiento extremo

Los ordenadores cuánticos son notoriamente difíciles y costosos de operar. La mayoría requiere temperaturas cercanas al cero absoluto, aproximadamente -459 grados Fahrenheit, para mantener los frágiles estados cuánticos necesarios para la computación y la comunicación.

Recientemente, investigadores de la Universidad de Stanford desarrollaron un dispositivo óptico a escala nanométrica que funciona a temperatura ambiente y que vincula las propiedades cuánticas de la luz y los electrones. Este avance podría allanar el camino para tecnologías cuánticas más pequeñas y de menor costo, capaces de transmitir información a largas distancias.

El nuevo dispositivo permite el entrelazamiento entre fotones, las partículas que componen la luz, y electrones. Esta conexión cuántica se considera un requisito fundamental para los futuros sistemas de comunicación cuántica.

"El material en cuestión no es realmente nuevo, pero la forma en que lo utilizamos sí lo es", afirmó Jennifer Dionne, profesora de ciencia de materiales e ingeniería en Stanford y autora principal del estudio publicado en Nature Communications. "Proporciona una conexión de espín muy versátil y estable entre electrones y fotones que es la base teórica de la comunicación cuántica. Sin embargo, típicamente, los electrones pierden su espín demasiado rápido para ser útiles".

Luz retorcida y espín cuántico

El dispositivo combina una fina capa de diseleniuro de molibdeno (MoSe2) con un sustrato de silicio nanopatrón. El diseleniuro de molibdeno pertenece a una familia de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición (TMDC), que son valorados por sus propiedades ópticas y cuánticas únicas.

Según los investigadores, las nanostructuras de silicio juegan un papel crítico al generar lo que ellos llaman "luz retorcida".

"Las nanostructuras de silicio permiten lo que llamamos 'luz retorcida'", explicó Feng Pan, investigador postdoctoral en el laboratorio de Dionne y primer autor del artículo. "Los fotones giran en una forma de sacacorchos, pero lo más importante es que podemos usar estos fotones giratorios para impartir espín a los electrones, que son el corazón de la computación cuántica".

Dionne señaló que las estructuras patrón son increíblemente pequeñas, aproximadamente del tamaño de las longitudes de onda de la luz visible e imposibles de ver a simple vista.

"Las nanostructuras patrón son imperceptibles al ojo humano, aproximadamente del tamaño de la longitud de onda de la luz visible", agregó Dionne. "Pero nos ayudan a manipular fotones con mucha precisión para hacer que giren, es decir, para retorcerlos, en una dirección específica, por ejemplo, hacia arriba o hacia abajo".

Un camino más simple hacia la comunicación cuántica

Los investigadores pueden usar esta luz retorcida para entrelazarse con los espines de los electrones, creando qubits, los bloques básicos de los sistemas de información cuántica.

En la computación convencional, la información se representa mediante ceros y unos. En las tecnologías cuánticas, los qubits cumplen un propósito similar, pero pueden aprovechar los efectos mecánicos cuánticos para procesar y transmitir información de maneras completamente nuevas.

Uno de los mayores desafíos que enfrentan las tecnologías cuánticas es mantener estados cuánticos estables. En muchos sistemas existentes, el enfriamiento extremo es necesario para prevenir un proceso conocido como decoherencia, en el que se pierde información cuántica delicada.

Debido a que el nuevo dispositivo opera a temperatura ambiente, evita uno de los principales obstáculos que ha limitado el uso generalizado de las tecnologías cuánticas. Los investigadores afirmaron que el diseño compacto también es relativamente económico y práctico en comparación con muchos sistemas cuánticos actuales.

Si se desarrolla aún más, la tecnología podría contribuir a avances en comunicaciones seguras, sensores avanzados, computación de alto rendimiento, inteligencia artificial y otras aplicaciones emergentes.

Por qué importa el material

El equipo seleccionó materiales TMDC debido a sus características cuánticas inusuales y colaboró con investigadores de Stanford Fang Liu y Tony Heinz, que se especializan en estos materiales.

"Todo se reduce a este material y nuestro chip de silicio", dijo Pan. "Juntos, confinan y mejoran eficientemente el giro de la luz para crear un fuerte acoplamiento de espín entre fotones y electrones. Esto estabiliza el estado cuántico que hace posible la comunicación cuántica".

La combinación permite que la luz y la materia interactúen de manera más fuerte, ayudando a preservar las propiedades cuánticas necesarias para tareas de comunicación y computación.

Hacia futuras redes cuánticas

Los investigadores continúan mejorando el dispositivo y están explorando materiales TMDC adicionales y combinaciones de materiales que podrían ofrecer un rendimiento aún mejor. También investigan si estos sistemas podrían revelar nuevas capacidades cuánticas que actualmente no son posibles a temperatura ambiente.

Un objetivo a largo plazo es integrar dispositivos como este en redes cuánticas más grandes. Lograr esa visión requerirá mejoras en tecnologías de apoyo como fuentes de luz, moduladores, detectores e interconexiones.

En última instancia, los investigadores esperan que los componentes cuánticos puedan miniaturizarse lo suficiente como para ser incorporados en la electrónica cotidiana. Aunque ese futuro aún está a muchos años de distancia, el trabajo representa un paso hacia la accesibilidad y practicidad de la tecnología cuántica.

"Si podemos hacer eso, tal vez algún día podríamos hacer computación cuántica en un teléfono celular", dijo Pan con una sonrisa. "Pero eso es un plan a más de diez años".

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