Por el momento, los fotones de microondas son la clave de muchas computadoras cuánticas: los físicos las usan para programar, leer y manipular los bits cuánticos de las máquinas. Pero la tecnología de microondas es voluminosa, y sus estados cuánticos no duran mucho. Ahora, varios grupos están explorando una nueva forma de hablar con una computadora cuántica: con pequeñas vibraciones, normalmente portadoras de calor y ruido molestos.

La incipiente disciplina de la acústica cuántica podría sacudir las computadoras cuánticas embrionarias mediante la miniaturización de tecnologías y la producción de recuerdos cuánticos de mayor duración.

"Estamos justo en la cúspide" de controlar las vibraciones cuánticas, dice Andrew Cleland, un físico de la Universidad de Chicago en Illinois, cuyo grupo presentó su último trabajo la semana pasada aquí en la reunión anual de marzo de la American Physical Society.

La diferencia y calidad de la computadora cuántica

Mientras que una computadora ordinaria invierte bits que pueden configurarse como cero o uno, una computadora cuántica utiliza qubits que se pueden establecer en cero, uno o, extrañamente, cero y uno al mismo tiempo, lo que potencialmente permite grandes aumentos de velocidad.

Compañías como Google e IBM están compitiendo para demostrar la superioridad de las computadoras cuánticas para ciertas tareas, y muchas están apostando por qubits hechos de circuitos de metal superconductor en chips.

Para controlar o leer un qubit superconductor, los investigadores lo hacen interactuar con un resonador de microondas, típicamente una tira de metal en el chip qubit o una cavidad del tamaño de un dedo que lo rodea, que suena con fotones de microondas del mismo modo que una tubería de órgano suena con sonido.

Ajustando la energía del qubit, los investigadores pueden transferir sus estados cuánticos al resonador, de modo que un estado de cero y uno del qubit se pueda almacenar como un estado del resonador en el que un fotón está presente y ausente. Pero algunos físicos ven las ventajas de reemplazar el resonador de microondas por uno mecánico que suena con vibraciones cuantificadas o fonones.

Ese esfuerzo puede parecer tonto, ya que tales vibraciones constituyen calor, que borra delicados estados cuánticos.

Pero cuando se trabaja a temperaturas cercanas al cero absoluto, un resonador acústico bien diseñado podría sonar más largo que uno de microondas, lo que le permite actuar como una especie de memoria cuántica, dice Robert Schoelkopf, físico de la Universidad de Yale. Las vibraciones también tienen longitudes de onda inferiores a una milésima de las de la misma frecuencia, por lo que los resonadores pueden ser mucho más compactos, dice.

El primer paso del proyecto de la computadora cuántica se dio en el 2010

Primero, los físicos deben aprender a controlar las vibraciones cuánticas.

Dieron un primer paso en 2010, cuando Cleland, entonces en la Universidad de California, Santa Bárbara (UCSB), extrajo cada fonón de un voladizo oscilante grabado a partir de nitruro de aluminio, dejándolo en su estado fundamental cuántico menos energético. Sin embargo, ese estado cuántico simple persistió durante solo 5 nanosegundos, muy poco tiempo para poner el dispositivo en estados cuánticos de movimiento más complejos.

Para seguir adelante, varios grupos están manipulando ondas llamadas ondas acústicas superficiales (SAW), que viajan a lo largo de la superficie de un material.

En la parte superior de un microchip, los investigadores graban dos rejillas de bandas metálicas a solo micrómetros de distancia.

En la brecha entre las rejillas, los investigadores activan una ola aplicando un voltaje a un dispositivo en forma de peine llamado transductor, que hace que el material se contraiga. Las rejillas actúan como espejos, reflejando SAW de longitudes de onda particulares hacia atrás y adelante para que resuenen en la brecha. Y al conectar el transductor a un qubit superconductor, los investigadores vinculan su estado cuántico a las SAW.

Utilizando ese enfoque, Cleland y Kevin Satzinger, un estudiante graduado de UCSB, diseñaron un resonador en un chip niobate de litio que sonó durante hasta 150 nanosegundos. Mostraron que podían crear cualquier combinación deseada de cero y un fonón en el resonador, dijo Satzinger en la reunión.

"Podemos ver la energía yendo y viniendo" entre qubit y cavidad.

Los investigadores del grupo de Schoelkopf se están centrando no en las ondas atrapadas en la superficie de un chip, sino en las vibraciones que viajan a través del material a granel del chip. Explotan las vibraciones que pueden rebotar entre las superficies superior e inferior del chip de medio milímetro debajo de su qubit.

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