Un equipo de investigadores de la Universidad de Tohoku, la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional Argonne ha realizado un descubrimiento significativo en el ámbito de la tecnología cuántica. Han demostrado que el espinel, un mineral conocido por sus colores vibrantes que recuerdan a las piedras preciosas como los rubíes y zafiros, tiene la capacidad de almacenar información cuántica. Este hallazgo se considera un avance relevante en el desarrollo de materiales para sistemas de qubits, que son fundamentales en la computación cuántica.
La investigación, publicada en la revista Applied Physics Express, representa el primer resultado de la Alianza Cuántica Chicago-Tohoku, establecida en junio de 2023 con el objetivo de fomentar la colaboración entre académicos y empresas japonesas, así como fortalecer los lazos entre la academia y el gobierno.
Avances en la tecnología cuántica
El profesor David Awschalom, Vice Decano de Investigación en la Escuela de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago y co-líder del estudio, destacó que este descubrimiento resalta el potencial de materiales como el espinel, que, aunque tradicionalmente han sido valorados por su estética, ahora están mostrando capacidades científicas profundas. «Al aprovechar sus propiedades únicas, no solo estamos avanzando en nuestra comprensión de los sistemas de qubits, sino que también estamos ampliando las herramientas para las tecnologías cuánticas de maneras que antes eran inimaginables», expresó Awschalom.
La tecnología de información cuántica utiliza principios de la mecánica cuántica para procesar, almacenar y transmitir información de formas que los sistemas clásicos no pueden lograr. En el núcleo de esta tecnología se encuentran los qubits, que operan en colecciones conocidas como sistemas de qubits. Materiales sólidos como el diamante o el moissanita son capaces de retener información cuántica a través de defectos atómicos que atrapan giros electrónicos. Las propiedades transparentes de estos minerales permiten aislar los qubits de manera suficientemente estable para su manipulación.
Manato Kawahara, estudiante de doctorado en el Instituto de Investigación de Comunicaciones Eléctricas de la Universidad de Tohoku, comparó el funcionamiento de los qubits con un globo de nieve. «El vidrio del globo protege los objetos de perturbaciones externas, pero aún podemos manipularlos al agitarlo. En el caso de los qubits, utilizamos campos magnéticos o eléctricos para controlar el giro del qubit», comentó Kawahara.
Los avances del equipo de investigación fueron posibles gracias a trabajos previos realizados por grupos de la Universidad de Chicago, el Laboratorio Argonne y la Universidad de Tohoku. En 2021, se establecieron directrices para la búsqueda de nuevos sistemas de qubits de estado sólido, y en 2022, se presentó un método para agilizar el descubrimiento de materiales viables para qubits.
Este camino llevó al equipo a investigar el espinel (MgAl2O4), que fue sometido a pruebas experimentales mediante un haz de láser que excitaba el material, permitiendo medir la luz emitida (fotoluminiscencia) para analizar su respuesta. «Utilizando un sistema de medición óptica para detectar la información del qubit, encontramos que el centro de cerio (Ce) en el espinel puede mantener la información del qubit a temperaturas muy bajas (4 K), bajo un campo magnético de 500 mT», explicó Shun Kanai, profesor en el RIEC y co-líder del equipo de investigación.
Para que el sistema funcione plenamente como qubit, debe demostrar tres funciones: inicialización, manipulación y detección. Los hallazgos actuales indican que el espinel posee las dos primeras funciones, es decir, la capacidad de inicializar y leer el estado del qubit.
El profesor Awschalom añadió que «de cara al futuro, planeamos manipular y controlar el qubit de espinel para aplicaciones emergentes en sensores, comunicación y computación». La demostración de una función de qubit en el espinel abre oportunidades inexploradas en el campo de las tecnologías cuánticas.
