Una nueva y elegante ecuación permite a los científicos calcular fácilmente la vida útil de la información cuántica de 12.000 materiales diferentes.

Los científicos han descubierto un atajo matemático para calcular una característica muy importante de los dispositivos cuánticos.

Después de calcular las propiedades cuánticas de 12.000 elementos y compuestos, los investigadores publicaron una nueva ecuación para estimar cuánto tiempo los materiales pueden retener la información cuántica, llamada «tiempo de coherencia».

“La gente ha tenido que confiar en códigos y cálculos complicados para predecir los tiempos de coherencia de los qubits de espín. Pero ahora la gente puede autocalcular la predicción al instante. Esto abre la posibilidad de que los investigadores encuentren la próxima generación de materiales qubit por sí mismos”, dijo el coautor del estudio, Shun Kanai, de la Universidad de Tohoku.

La elegante fórmula permite a los científicos estimar los tiempos de coherencia de los materiales en un instante, en comparación con las horas o semanas que llevaría calcular un valor exacto.

El equipo, compuesto por científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), la Universidad de Chicago, la Universidad de Tohoku en Japón y la Universidad de Ajou en Corea, publicó sus hallazgos en abril en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

La ecuación del equipo se aplica a una clase particular de materiales, aquellos que se pueden usar en dispositivos llamados qubits giratorios.

“La gente ha tenido que confiar en códigos y cálculos complicados para predecir los tiempos de coherencia de los qubits de espín. Pero ahora la gente puede autocalcular la predicción al instante”, dijo Kanai. «Esto abre oportunidades para que los investigadores encuentren la próxima generación de materiales qubit por su cuenta».

Los qubits son la unidad fundamental de la información cuántica, la versión cuántica de los bits informáticos clásicos. Vienen en diferentes formas y variedades, incluido un tipo llamado spin qubit. Un qubit de espín almacena datos en el espín de un material, una propiedad cuántica inherente a toda la materia atómica y subatómica, como electrones, átomos y grupos de átomos.

Los científicos esperan que las tecnologías cuánticas ayuden a mejorar nuestra vida diaria. Podríamos enviar información a través de redes de comunicación cuántica que son impenetrables para los piratas informáticos, o podríamos usar simulaciones cuánticas para acelerar la entrega de medicamentos.

La realización de este potencial dependerá de la disponibilidad de qubits suficientemente estables, que tengan tiempos de coherencia suficientemente largos, para almacenar, procesar y enviar la información.

Aunque la ecuación del equipo de investigación solo da una predicción aproximada del tiempo de coherencia de un material, se acerca bastante al valor real. Y lo que le falta a la ecuación en precisión, lo compensa en conveniencia. Solo se requieren cinco números, los valores de cinco propiedades particulares del material en cuestión, para llegar a una solución. ¡Conéctalos y listo! Tienes tu tiempo de constancia.

El diamante y el carburo de silicio son actualmente los materiales más establecidos para albergar qubits giratorios. Ahora los científicos pueden explorar otros candidatos sin tener que pasar días calculando si vale la pena investigar un material.

“La ecuación es como una lente. Te dice: «Mira aquí, mira este material, parece prometedor», dijo Giulia Galli, profesora de la Universidad de Chicago y científica principal de Argonne, coautora del estudio y colaboradora de Q-NEXT. “Estamos buscando nuevas plataformas qubit, nuevos materiales. Identificar relaciones matemáticas como esta indica nuevos materiales para probar, para combinar.

Con esta ecuación en la mano, los investigadores planean aumentar la precisión de su modelo.

También estarán en contacto con investigadores capaces de crear los materiales con los tiempos de coherencia más prometedores, probando si funcionan tan bien como predice la ecuación. (El equipo ya obtuvo un éxito: un científico fuera del equipo informó que el tiempo de coherencia relativamente largo de un material llamado tungstato de calcio funcionó como lo predijo la fórmula del equipo).

«Nuestros hallazgos nos ayudan a avanzar en la tecnología de información cuántica actual, pero eso no es todo», dijo Hideo Ohno, profesor de la Universidad de Tohoku, actualmente presidente de la universidad y coautor del artículo. “Abrirá nuevas posibilidades al vincular la tecnología cuántica a una variedad de sistemas convencionales, permitiéndonos avanzar aún más con los materiales que ya conocemos. Estamos empujando más de una frontera científica.

El descubrimiento de polaritones de ondas de materia arroja nueva luz sobre las tecnologías cuánticas fotónicas

El desarrollo de plataformas experimentales que avanzan en el campo de la ciencia y la tecnología cuánticas (QIST) viene con un conjunto único de beneficios y desafíos comunes a cualquier tecnología emergente. Investigadores de la Universidad de Stony Brook, dirigidos por Dominik Schneble, Ph.D., informan sobre la formación de polaritones de ondas de materia en una red óptica, un hallazgo experimental que permite investigar un paradigma QIST central a través de una simulación cuántica directa utilizando átomos ultrafríos. Les chercheurs prévoient que leurs nouvelles quasi-particules, qui imitent les photons en forte interaction dans les matériaux et les dispositifs mais contournent certains des défis inhérents, bénéficieront au développement ultérieur des plates-formes QIST qui sont sur le point de transformer les technologies informatiques et de comunicación.

La investigación arroja luz sobre las propiedades fundamentales del polaritón y los fenómenos de muchos cuerpos asociados, y abre nuevas posibilidades para el estudio de la materia cuántica polaritónica.

Un desafío importante al trabajar con plataformas QIST basadas en fotones es que, si bien los fotones pueden ser portadores ideales de información cuántica, normalmente no interactúan entre sí. La ausencia de tales interacciones también inhibe el intercambio controlado de información cuántica entre ellos. Los científicos han encontrado una forma de solucionar este problema acoplando fotones a excitaciones más pesadas en los materiales, formando polaritones, híbridos similares a quimeras entre la luz y la materia. Las colisiones entre estas cuasipartículas más pesadas permiten que los fotones interactúen de manera efectiva. Esto puede permitir la implementación de operaciones de puertas cuánticas basadas en fotones y posiblemente una infraestructura QIST completa.

Sin embargo, un desafío importante es la vida útil limitada de estos polaritones basados ​​en fotones debido a su acoplamiento radiativo con el medio ambiente, lo que conduce a una decoherencia y decaimiento espontáneos descontrolados.

Según Schneble y sus colegas, su investigación publicada sobre el polaritón elude por completo estas limitaciones causadas por la descomposición espontánea. Los aspectos fotónicos de sus polaritones son transportados completamente por ondas de materia atómica, para las cuales no existen tales procesos de descomposición no deseados. Esta característica abre el acceso a regímenes de parámetros que no son accesibles, o aún no lo son, en los sistemas polaritónicos basados ​​en fotones.

«El desarrollo de la mecánica cuántica ha dominado el siglo pasado, y una ‘segunda revolución cuántica’ hacia el desarrollo de QIST y sus aplicaciones ya está en marcha en todo el mundo, incluso en empresas como IBM, Google y Amazon», dice Schneble, profesor del Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias. «Nuestro trabajo destaca algunos efectos mecánicos cuánticos fundamentales que son de interés para los sistemas cuánticos fotónicos emergentes en QIST, que van desde la nanofotónica de semiconductores hasta la electrodinámica cuántica de circuitos».

Los investigadores de Stony Brook realizaron sus experimentos con una plataforma que presentaba átomos ultrafríos en una red óptica, un paisaje potencial similar a una caja de huevos formado por ondas de luz estacionarias. Usando un aparato de vacío dedicado con varios láseres y campos de control y operando a una temperatura de nanokelvin, implementaron un escenario en el que los átomos atrapados en la red se ‘visten’ con nubes de excitaciones de calor compuestas por ondas de materia frágil y evanescente.

El equipo descubrió que, como resultado, las partículas polaritónicas se vuelven mucho más móviles. Los investigadores pudieron sondear directamente su estructura interna agitando suavemente la red, accediendo así a las contribuciones de las ondas de materia y la excitación de la red atómica. Cuando se dejan solos, los polaritones de ondas de materia saltan a través de la red, interactúan entre sí y forman fases estables de materia cuasi-particulada.

«Con nuestro experimento, realizamos una simulación cuántica de un sistema excitón-polaritón en un nuevo régimen», dice Schneble. «La búsqueda para realizar tales simulaciones ‘ógicas’, que además son ‘ógicas’ en el sentido de que los parámetros relevantes se pueden componer libremente, es en sí misma una dirección importante dentro de QIST. »

La investigación de Stony Brook incluyó a los estudiantes graduados Joonhyuk Kwon (actualmente becario postdoctoral en el Laboratorio Nacional Sandia), Youngshin Kim y Alfonso Lanuza.

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