El equipo pudo mantener este estado de superposición entre cientos de pares de fermiones en vibración. Al hacerlo, lograron un nuevo "registro cuántico" o sistema de qubits, que parece ser robusto durante períodos de tiempo relativamente largos. El descubrimiento, publicado hoy en la revista Nature , demuestra que estos cúbits tambaleantes podrían ser una base prometedora para futuras computadoras cuánticas.

Un qubit representa una unidad básica de computación cuántica. Donde un bit clásico en las computadoras de hoy lleva a cabo una serie de operaciones lógicas a partir de uno de los dos estados, 0 o 1, un qubit puede existir en una superposición de ambos estados. Mientras se encuentra en este delicado estado intermedio, un qubit debería poder comunicarse simultáneamente con muchos otros qubits y procesar múltiples flujos de información a la vez, para resolver rápidamente problemas que a las computadoras clásicas les llevaría años procesar.

Hay muchos tipos de qubits, algunos de los cuales están diseñados y otros existen de forma natural. La mayoría de los qubits son notoriamente volubles, ya sea incapaces de mantener su superposición o no dispuestos a comunicarse con otros qubits.

En comparación, el nuevo qubit del equipo del MIT parece ser extremadamente robusto, capaz de mantener una superposición entre dos estados vibratorios, incluso en medio del ruido ambiental, hasta por 10 segundos. El equipo cree que los nuevos qubits vibrantes podrían interactuar brevemente y potencialmente llevar a cabo decenas de miles de operaciones en un abrir y cerrar de ojos.

“Estimamos que estos cúbits deberían tardar solo un milisegundo en interactuar, por lo que podemos esperar 10 000 operaciones durante ese tiempo de coherencia, lo que podría ser competitivo con otras plataformas”, dice Martin Zwierlein, profesor de física Thomas A. Frank en el MIT. . “Por lo tanto, existe una esperanza concreta de hacer que estos qubits se calculen”.

Zwierlein es coautor del artículo, junto con el autor principal Thomas Hartke, Botond Oreg y Ningyuan Jia, todos miembros del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

Accidentes felices

El descubrimiento del equipo inicialmente ocurrió por casualidad. El grupo de Zwierlein estudia el comportamiento de los átomos en densidades muy bajas y ultrafrías. Cuando los átomos se enfrían a temperaturas una millonésima parte de la del espacio interestelar y se aíslan a densidades una millonésima de la del aire, pueden surgir fenómenos cuánticos y nuevos estados de la materia.

Bajo estas condiciones extremas, Zwierlein y sus colegas estaban estudiando el comportamiento de los fermiones. Un fermión se define técnicamente como cualquier partícula que tiene un giro medio entero impar, como neutrones, protones y electrones. En términos prácticos, esto significa que los fermiones son espinosos por naturaleza. Dos fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico, una propiedad conocida como el principio de exclusión de Pauli. Por ejemplo, si un fermión gira hacia arriba, el otro debe girar hacia abajo.

Los electrones son ejemplos clásicos de fermiones, y su exclusión mutua de Pauli es responsable de la estructura de los átomos y la diversidad de la tabla periódica de elementos, junto con la estabilidad de toda la materia del universo. Los fermiones también son cualquier tipo de átomo con un número impar de partículas elementales, ya que estos átomos también se repelerían entre sí de forma natural.

El equipo de Zwierlein estaba estudiando átomos fermiónicos de potasio-40. Enfriaron una nube de fermiones a 100 nanokelvins y usaron un sistema de láseres para generar una red óptica en la que atrapar los átomos. Ajustaron las condiciones para que cada pozo en la red atrapara un par de fermiones. Inicialmente, observaron que bajo ciertas condiciones, cada par de fermiones parecía moverse sincronizadamente, como una sola molécula.