Una molécula que responde a la luz

Una nueva interfaz luz-espina con la molécula de europio (III) avanza en el desarrollo de los ordenadores cuánticos

14.04.2021 - Alemania

La luz puede utilizarse para hacer funcionar sistemas de procesamiento de información cuántica, como los ordenadores cuánticos, de forma rápida y eficaz. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) y de Chimie ParisTech/CNRS han avanzado considerablemente en el desarrollo de materiales basados en moléculas que pueden utilizarse como unidades cuánticas fundamentales direccionables por la luz. Como informan en la revista Nature Communications, han demostrado por primera vez la posibilidad de abordar los niveles de espín nuclear de un complejo molecular de iones de tierras raras de europio (III) con luz.

Ya sea en el desarrollo de fármacos, en la comunicación o en las previsiones climáticas: El procesamiento rápido y eficaz de la información es crucial en muchos ámbitos. En la actualidad se realiza mediante ordenadores digitales, que funcionan con los llamados bits. El estado de un bit es 0 o 1, no hay nada entre ambos. Esto limita mucho el rendimiento de los ordenadores digitales, y cada vez es más difícil y lento tratar problemas complejos relacionados con tareas del mundo real. Los ordenadores cuánticos, en cambio, utilizan bits cuánticos para procesar la información. Un bit cuántico (qubit) puede estar en muchos estados diferentes entre 0 y 1 simultáneamente debido a una propiedad mecánica cuántica especial denominada superposición cuántica. Esto permite procesar datos en paralelo, lo que aumenta exponencialmente la potencia de cálculo de los ordenadores cuánticos en comparación con los ordenadores digitales.

Los estados de superposición cuántica deben persistir el tiempo suficiente

"Para desarrollar ordenadores cuánticos aplicables en la práctica, los estados de superposición de un qubit deben persistir durante un tiempo suficientemente largo. Los investigadores hablan de "tiempo de vida de la coherencia", explica el profesor Mario Ruben, jefe del grupo de investigación de Materiales Moleculares del Instituto de Nanotecnología (INT) del KIT. "Sin embargo, los estados de superposición de un qubit son frágiles y se ven perturbados por las fluctuaciones del entorno, lo que conduce a la decoherencia, es decir, al acortamiento del tiempo de vida de la coherencia". Para preservar el estado de superposición el tiempo suficiente para las operaciones computacionales, es concebible aislar un qubit del entorno ruidoso. Los niveles de espín nuclear de las moléculas pueden utilizarse para crear estados de superposición con largos tiempos de coherencia porque los espines nucleares están débilmente acoplados al entorno, protegiendo los estados de superposición de un qubit de las influencias externas perturbadoras.

Las moléculas son ideales como sistemas de qubits

Sin embargo, un solo qubit no es suficiente para construir un ordenador cuántico. Se necesitan muchos qubits para organizarlos y dirigirlos. Las moléculas representan sistemas de qubits ideales, ya que pueden organizarse en números suficientemente grandes como unidades escalables idénticas y pueden ser dirigidas con luz para realizar operaciones de qubits. Además, las propiedades físicas de las moléculas, como la emisión y/o las propiedades magnéticas, pueden adaptarse cambiando sus estructuras mediante principios de diseño químico. En un artículo publicado en la revista Nature Communications, los investigadores dirigidos por el profesor Mario Ruben, del IQMT del KIT y del Centro Europeo de Ciencias Cuánticas (CESQ) de Estrasburgo, y el Dr. Philippe Goldner, de la École nationale supérieure de chimie de París (Chimie ParisTech/CNRS), presentan una molécula dimérica de europio(III) que contiene espín nuclear como qubit direccionable por luz.

La molécula, que pertenece a los metales de las tierras raras, está diseñada para mostrar luminiscencia, es decir, una emisión sensibilizada por el centro de europio(III), cuando es excitada por ligandos que absorben la luz ultravioleta que rodean el centro. Tras la absorción de la luz, los ligandos transfieren la energía luminosa al centro de europio(III), excitándolo. La relajación del centro excitado hacia el estado básico conduce a la emisión de luz. Todo el proceso se denomina luminiscencia sensibilizada. La quema espectral de agujeros -experimentos especiales con láseres- detecta la polarización de los niveles de espín nuclear, lo que indica la generación de una interfaz eficiente luz-espín nuclear. Esto último permite la generación de qubits hiperfinos direccionables por la luz, basados en los niveles de espín nuclear. "Al demostrar por primera vez la polarización de espín inducida por la luz en la molécula de europio(III), hemos conseguido dar un paso prometedor hacia el desarrollo de arquitecturas de computación cuántica basadas en moléculas que contienen iones de tierras raras", explica el Dr. Philippe Goldner.

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Publicación original

Kuppusamy Senthil Kumar, Diana Serrano, Aline M. Nonat, Benoît Heinrich, Lydia Karmazin, Loïc J. Charbonnière, Philippe Goldner, Mario Ruben; "Optical spin-state polarization in a binuclear europium complex towards molecule-based coherent light-spin interfaces"; Nature Communications; 2021

https://www.quimica.es/noticias/1170613/una-molecula-que-responde-a-la-luz.html