"Este avance desbloquea una poderosa plataforma para explorar la nueva física de los fenómenos cuánticos emergentes"
Científicos de la Universidad de Cambridge han entrelazado 13.000 núcleos atómicos en un punto cuántico, creando un registro cuántico estable para redes cuánticas escalables. Este avance abre nuevas posibilidades en computación y comunicación cuántica.
Científicos entrelazan 13.000 núcleos y allanan el camino para redes cuánticas. Fuente: Midjourney + Nature Physics
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 30.01.2025
Las redes cuánticas prometen revolucionar la comunicación y la computación, pero hasta ahora, han se ha estado enfrentado desafíos fundamentales: ¿cómo conectar múltiples nodos cuánticos de manera eficiente y escalable? Un equipo de la Universidad de Cambridge ha dado un paso crucial para resolver este problema al entrelazar 13.000 núcleos atómicos dentro de un punto cuántico, creando un registro cuántico funcional con propiedades emergentes únicas.
"Este avance desbloquea una poderosa plataforma para explorar la nueva física de los fenómenos cuánticos emergentes": científicos entrelazan 13.000 núcleos y allanan el camino para redes cuánticas (Eugenio Fdz.)
Publicado en Nature Physics, este avance no solo mejora la estabilidad de la información cuántica, sino que también introduce un nuevo enfoque para interconectar cúbits de manera óptica. Según Mete Atatüre, coautor del estudio, "este descubrimiento es un testimonio del poder que la física de muchos cuerpos puede tener en la transformación de los dispositivos cuánticos".
El problema de los nodos cuánticos y la necesidad de registros escalables
Las redes cuánticas necesitan nodos con cúbits estables y conectados ópticamente para permitir el intercambio de información. Tradicionalmente, los puntos cuánticos han destacado por su capacidad de emitir fotones individuales con gran eficiencia, pero han carecido de cúbits auxiliares que permitan almacenar información de manera efectiva.
El nuevo estudio aborda esta limitación utilizando núcleos atómicos dentro del punto cuántico como un registro cuántico colectivo. Al manipular el espín nuclear de 13.000 átomos, los investigadores lograron crear estados entrelazados de larga duración, permitiendo el almacenamiento y recuperación de información con una fidelidad del 69 %.
Por otra parte, lograron reducir la interacción con el entorno formando un estado oscuro nuclear, lo que minimiza la decoherencia y prolonga la estabilidad del sistema. Esto es un avance clave para construir nodos cuánticos funcionales que puedan operar en redes a gran escala.
Las redes cuánticas necesitan nodos con cúbits estables y conectados ópticamente para permitir el intercambio de información. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Cómo funciona el nuevo registro cuántico
El registro cuántico se basa en dos estados lógicos fundamentales:El estado "cero" es un estado oscuro colectivo, donde los núcleos están organizados de tal forma que interactúan mínimamente con el entorno.
El estado "uno" se define como una excitación nuclear magnónica, es decir, un modo cuántico colectivo que representa una inversión de espín propagada por el sistema.
Este enfoque permite almacenar información cuántica de manera robusta, reduciendo la interferencia del entorno y aumentando la coherencia del sistema. Los investigadores demostraron un protocolo completo de escritura, almacenamiento, recuperación y lectura de información, logrando una coherencia de hasta 130 microsegundos.
Dorian Gangloff, coautor del estudio, explica: "Este avance no solo establece los puntos cuánticos como nodos cuánticos operativos, sino que también desbloquea una poderosa plataforma para explorar nueva física de muchos cuerpos y fenómenos cuánticos emergentes."
Esquema del circuito cuántico para la interferometría de Ramsey con magnones, utilizado para medir la precesión del espín electrónico y detectar el desplazamiento de Knight. Fuente: Nature Physics¿Qué es la magnónica cuántica?
La magnónica cuántica es un campo de estudio que investiga el uso de magnones —excitaciones colectivas de espines en un material magnético— para procesar y transmitir información cuántica. A diferencia de los fotones en la óptica cuántica o los electrones en los circuitos superconductores, los magnones permiten la manipulación de información en sistemas de espines fuertemente correlacionados, lo que abre nuevas posibilidades para dispositivos cuánticos más estables y eficientes.
En el contexto del nuevo registro cuántico desarrollado en puntos cuánticos de GaAs, los investigadores utilizaron un magnón nuclear como el estado lógico "uno" del sistema. Este estado representa una excitación cuántica colectiva, donde un solo espín nuclear se invierte y la perturbación se propaga a través del conjunto de espines. Gracias a esta propiedad, los magnones pueden servir como intermediarios en la transferencia y almacenamiento de información cuántica, con el potencial de mejorar la coherencia y la escalabilidad en redes cuánticas.
Impacto en la computación y comunicación cuántica
La implementación de este registro cuántico podría transformar el desarrollo de redes cuánticas a gran escala. Actualmente, los sistemas cuánticos se enfrentan desafíos en términos de fidelidad y escalabilidad, lo que dificulta su integración en infraestructuras de comunicación global.
Los puntos cuánticos con registros basados en espines nucleares podrían actuar como memorias cuánticas intermedias en repetidores cuánticos. Estos dispositivos son esenciales para extender la distancia de transmisión de información cuántica, permitiendo la conexión de computadoras cuánticas separadas por grandes distancias.
Por otra parte, el enfoque basado en estados oscuros y excitaciones magnónicas podría aplicarse en la creación de cúbits más robustos, resistentes a la decoherencia, lo que beneficiaría a diversas áreas, desde cálculo cuántico hasta criptografía avanzada.
Esquema del acoplamiento entre un espín electrónico central y un conjunto de espines nucleares en un estado oscuro, mostrando la transferencia de excitación cuántica, la estructura de niveles de energía en un punto cuántico de GaAs y el espectro ESR medido con resonancias en las frecuencias de Larmor nucleares. Fuente: Nature PhysicsFuturas mejoras y nuevos desafíos
A pesar del éxito del experimento, los investigadores trabajan en ampliar el tiempo de almacenamiento de información. Actualmente, la coherencia es de 130 microsegundos, pero con técnicas de desacoplamiento dinámico, esperan extenderla hasta 20 milisegundos o más.
Otra línea de trabajo es la mejora del acoplamiento entre los cúbits y los fotones para optimizar la transferencia de información. Si se logra, este sistema permitiría la creación de redes cuánticas altamente funcionales y escalables.
Este trabajo representa una combinación única de física de semiconductores, óptica cuántica y teoría de la información, proporcionando una plataforma experimental con potencial para explorar nuevos efectos cuánticos colectivos.
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Referencias
Martin Hayhurst Appel, Alexander Ghorbal, Noah Shofer, Leon Zaporski, Santanu Manna, Saimon Filipe Covre da Silva, Urs Haeusler, Claire Le Gall, Armando Rastelli, Dorian A. Gangloff, & Mete Atatüre. A many-body quantum register for a spin qubit. Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02746-z.
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