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El investigador explora la computadora cuántica de fósforo y silicio

Hola, un placer verte por aquí. Te habla Simón Sánchez y en esta ocasión te voy a contar sobre El investigador explora la computadora cuántica de fósforo y silicio

Un físico de la Universidad de Utah ha dado un paso hacia el desarrollo de una computadora ultrarrápida basada en la extraña realidad de la física cuántica, demostrando que es posible leer datos almacenados en forma de «espines» magnéticos de átomos de fósforo.

“Nuestro trabajo representa un punto de inflexión en la búsqueda de una tecnología nanoscópica [atomic scale] mecanismo que podría usarse para un dispositivo de lectura de datos «, dice Christoph Boehme, profesor asistente de física en la Universidad de Utah.» Hemos demostrado experimentalmente que se puede medir la orientación del espín nuclear de los átomos de fósforo incrustados en silicio por corrientes eléctricas muy finas que atraviesan los átomos de fósforo «.

El estudio de Boehme y sus colegas en Alemania se publicará en la edición de diciembre de la revista Nature Physics y se publicará Online el domingo 19 de noviembre.

«Hemos resuelto un gran obstáculo para la construcción de un tipo particular de computadora cuántica, la computadora cuántica de fósforo y silicio», dice Boehme. «Para este concepto, leer datos es el mayor problema y hemos mostrado una nueva forma de leer datos».

Boehme, quien se unió a la facultad de la Universidad de Utah a principios de este año, realizó el estudio con Klaus Lips, un excolega del Instituto Hahn-Meitner en Berlín, y los estudiantes graduados Andre Stegner y Hans Huebl y los físicos Martin Stutzmann y Martin S. Brandt de la Universidad Técnica de Munich.

Algo sobre la Computación Cuántica

En las computadoras digitales modernas, la información se transmite mediante el flujo de electricidad en forma de electrones, que son partículas subatómicas cargadas negativamente. Los transistores en las computadoras son interruptores eléctricos que almacenan datos como «bits», donde «apagado» (sin carga eléctrica) y «encendido» (carga presente) representan un poco de información: 0 o 1.

Por ejemplo, con tres bits, hay ocho combinaciones posibles de 1 o 0: 1-1-1, 0-1-1, 1-0-1, 1-1-0, 0-0-0, 1-0 -0, 0-1-0 y 0-0-1. Pero tres bits en una computadora digital solo pueden almacenar una de estas ocho combinaciones a la vez.

Las computadoras cuánticas, que aún no se han construido, se basarían en los extraños principios de la mecánica cuántica, en la que las partículas más pequeñas de luz y materia pueden estar en diferentes lugares al mismo tiempo.

En una computadora cuántica, un «qubit» (bit cuántico) podría ser 0 y 1 al mismo tiempo. Entonces, con tres qubits de datos, una computadora cuántica podría almacenar las ocho combinaciones de 0 y 1 al mismo tiempo. Esto significa que una computadora cuántica de tres qubits podría calcular ocho veces más rápido que una computadora digital de tres bits.

Las computadoras personales típicas de hoy en día calculan 64 bits de datos a la vez. Una computadora cuántica con 64 qubits sería de 2 a 64a más rápida, o alrededor de 18 mil millones de veces más rápida.

Los investigadores están explorando muchos enfoques para almacenar y procesar información en forma nanoscópica, a escala de moléculas y átomos, o una milmillonésima parte de un metro, para la computación cuántica. Incluyen computadoras cuánticas ópticas que podrían contener datos en forma de interruptores de encendido y apagado hechos de luz, iones (átomos cargados eléctricamente), el tamaño o estado de energía de la órbita de un electrón alrededor de un átomo, los llamados «puntos cuánticos» de material y los «espines» u orientación magnética de los centros o núcleos de los átomos.

Un nuevo giro en las computadoras cuánticas

El nuevo estudio de Boehme trata de una aproximación a una computadora cuántica propuesta en 1998 por el físico australiano Bruce Kane en un artículo de Nature titulado «Una computadora cuántica de espín nuclear basada en silicio». En tal computadora, el silicio – el semiconductor usado en los chips de computadora digital – sería «dopado» con átomos de fósforo, y los datos serían codificados en los «espines» de los núcleos de esos átomos. Los campos eléctricos aplicados externamente se utilizarían para leer y procesar datos almacenados como «giros».

Spin es difícil de explicar. Una forma simplificada de describir el espín es imaginar que cada partícula, como un electrón o un protón en un átomo, contiene una pequeña barra magnética, como la aguja de una brújula, que apunta hacia arriba o hacia abajo para representar la giro de la partícula. Abajo y arriba pueden representar 0 y 1 en una computadora cuántica basada en espines, donde un qubit podría tener un valor de 0 y 1 al mismo tiempo.

En el nuevo estudio, Boehme y sus colegas utilizaron silicio dopado con átomos de fósforo. Al aplicar una corriente eléctrica externa, pudieron «leer» el espín neto de 10.000 electrones y núcleos de átomos de fósforo cerca de la superficie del silicio.

Una computadora cuántica real debería leer los espines de partículas individuales, no miles de ellas. Pero los esfuerzos anteriores, que utilizaron una técnica llamada MRI, solo pudieron leer los giros netos de electrones de 10 mil millones de átomos de fósforo combinados, por lo que el nuevo estudio representa una mejora de un millón de veces y muestra que es posible. leer giros individuales, algo que requeriría una mejora adicional de 10,000 veces, dice Boehme.

Pero el objetivo del estudio, agrega, es que muestra que es posible usar métodos eléctricos para detectar o «leer» los datos almacenados no solo como espines de electrones, sino como espines más estables que los núcleos atómicos.

«Hemos descubierto un mecanismo que nos permitirá medir los espines de los núcleos de átomos de fósforo individuales en una pieza de silicio cuando el fósforo está cerca. [within about 50 atoms] en la superficie «, dice Boehme. Con un diseño mejorado, debería ser posible construir un dispositivo mucho más pequeño que» nos permita leer un solo núcleo de fósforo «.

Detalles del experimento

Los investigadores utilizaron un trozo de cristal de silicio de aproximadamente 300 micrones de grosor, aproximadamente tres veces el ancho de un cabello humano, de menos de 3 pulgadas de largo y aproximadamente una décima de pulgada de ancho. El cristal de silicio fue dopado con átomos de fósforo. Los átomos de fósforo estaban incrustados en el silicio porque demasiados átomos de fósforo demasiado cerca interactuarían entre sí tanto que no podrían almacenar información. El concepto es que la rotación nuclear de un átomo de fósforo almacenaría un qubit de información.

Los científicos utilizaron la litografía para imprimir dos contactos eléctricos chapados en oro sobre el silicio dopado. Luego colocaron una capa extremadamente delgada de dióxido de silicio, de aproximadamente dos mil millonésimas de metro de espesor, en el silicio entre los contactos de oro. Como resultado, la superficie del dispositivo tenía pequeños puntos donde se podían detectar los giros de los átomos de fósforo.

Los científicos aplicaron un pequeño voltaje a los contactos chapados en oro, creando una corriente eléctrica quizás 10,000 veces menor que la producida por una batería de tamaño AA, dice Boehme. Cuando se midió la corriente durante 100 millonésimas de segundo, se mantuvo constante, lo que indica que los giros de los átomos de fósforo en el silicio eran aleatorios, con la mitad apuntando hacia arriba y la mitad hacia abajo.

Luego, el dispositivo se enfrió con helio líquido a 452 grados bajo cero Fahrenheit. Esto hizo que la mayoría de los giros de fósforo apuntasen hacia abajo. A continuación, los investigadores aplicaron un campo magnético y radiación de microondas a la muestra, que constantemente hace girar las vueltas del fósforo hacia arriba y hacia abajo en concierto durante unas mil millonésimas de segundo.

Como resultado, la corriente eléctrica oscilaba hacia arriba y hacia abajo.

«Esta es básicamente una lectura de los espines electrónicos del fósforo», que, a su vez, también se puede utilizar para determinar los espines del núcleo de los átomos de fósforo basándose en una relación previamente conocida entre espines electrónicos y espines nucleares. dice Boehme.

Aunque Boehme está entusiasmado con este avance, quedan numerosos obstáculos antes de que la computación cuántica se convierta en una realidad.

«Si desea comparar el desarrollo de las computadoras cuánticas con las computadoras clásicas, probablemente sería justo antes del descubrimiento del ábaco», dice. «Estamos en el comienzo del desarrollo».

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Fuente: Universidad de Utah

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