La luz de las moléculas de tierras raras

Descubierto un nuevo material con propiedades prometedoras para ordenadores y redes cuánticas

15.03.2022 - Alemania

La luz puede utilizarse para distribuir información cuántica de forma rápida, eficaz y segura, a prueba de escuchas. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), la Universidad de Estrasburgo, Chimie ParisTech y el centro nacional de investigación francés CNRS han logrado ahora importantes avances en el desarrollo de materiales para procesar información cuántica con luz. En Nature, presentan una molécula de europio (el europio pertenece a los metales de tierras raras) con espines nucleares, mediante la cual se puede producir una interfaz fotón-espín efectiva.

La información cuántica revolucionará no sólo la investigación y la industria, sino también nuestra vida cotidiana. Entre otras cosas, promete enormes avances en la simulación de materiales y procesos, lo que impulsará el desarrollo de nuevas sustancias médicas, la mejora de las baterías, la planificación del transporte y la información y comunicación seguras. Un bit cuántico (qubit) puede asumir muchos estados diferentes entre 0 y 1 al mismo tiempo. Esta llamada superposición cuántica permite el procesamiento masivamente paralelo de datos. Como resultado, la capacidad de cálculo de los ordenadores cuánticos aumentará exponencialmente en comparación con los ordenadores digitales. Sin embargo, para llevar a cabo operaciones de computación, los estados de superposición de un qubit tienen que persistir durante un tiempo determinado. En la investigación cuántica, esto se denomina tiempo de coherencia. Los espines nucleares, es decir, los momentos angulares de los núcleos atómicos, en las moléculas permiten estados de superposición con tiempos de vida de coherencia largos, porque los espines nucleares están bien protegidos del entorno y protegen a los qubits de los impactos externos.

Interfaz efectiva entre luz y espín nuclear

"Para las aplicaciones prácticas, tenemos que ser capaces de almacenar, procesar y distribuir estados cuánticos", afirma el profesor Mario Ruben, jefe del Grupo de Materiales Cuánticos Moleculares del Instituto de Materiales y Tecnologías Cuánticas (IQMT) del KIT y del Centro Europeo de Ciencias Cuánticas - CESQ de la Universidad de Estrasburgo. "Para ello, hemos identificado ahora un nuevo y prometedor tipo de material: Una molécula de europio que contiene espines nucleares. El europio pertenece a los metales de tierras raras". El equipo de los profesores Mario Ruben y David Hunger, del IQMT, y del Dr. Philippe Goldner, de la École nationale supérieure de Chimie de Paris (Chimie ParisTech - Universidad PSL; Centre national de la recherche scientifique; CNRS) presenta este innovador material en Nature.

La molécula está estructurada de forma que presenta luminiscencia en caso de excitación láser. Esto significa que emite fotones que llevan la información del espín nuclear. Mediante experimentos específicos con láser, se puede producir una interfaz efectiva entre luz y espín nuclear. El trabajo abarca el direccionamiento de los niveles de espín nuclear con la ayuda de fotones, el almacenamiento coherente de fotones y la ejecución de las primeras operaciones cuánticas.

Alta densidad de Qubits

Para ejecutar operaciones cuánticas útiles, se necesitan muchos qubits enredados por la mecánica cuántica. Para ello, los qubits deben interactuar entre sí. Los investigadores de Karlsruhe, Estrasburgo y París han demostrado que los iones de europio de las moléculas pueden acoplarse a través de campos eléctricos parásitos, lo que permitirá el futuro entrelazamiento y, por tanto, el procesamiento de información cuántica. Como las moléculas están estructuradas con precisión atómica y se disponen en cristales exactos, se puede alcanzar una alta densidad de qubits.

Otro aspecto relevante para las aplicaciones prácticas es el direccionamiento de los qubits individuales. El direccionamiento óptico aumenta la velocidad de lectura y permite evitar las interferencias eléctricas. La separación de frecuencias permite direccionar individualmente varias moléculas. En comparación con proyectos anteriores, el trabajo que aquí se presenta alcanza una coherencia óptica unas mil veces mejor en un material molecular. De este modo, los estados de espín nuclear pueden manipularse ópticamente de forma específica.

Un paso hacia la Internet cuántica

La luz también es adecuada para distribuir información cuántica a grandes distancias para conectar ordenadores cuánticos o transmitir información de forma segura. Esto podría conseguirse mediante la futura integración de la novedosa molécula de europio en estructuras fotónicas para mejorar las transiciones. "Nuestro trabajo representa un paso importante hacia las arquitecturas de comunicación cuántica con moléculas de tierras raras como base para un Internet cuántico", afirma el profesor David Hunger, del IQMT.

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Publicación original

Diana Serrano, Kuppusamy Senthil Kumar, Benoît Heinrich, Olaf Fuhr, David Hunger, Mario Ruben, Philippe Goldner; "Rare-Earth Molecular Crystals with Ultra-narrow Optical Linewidths for Photonic Quantum Technologies"; Nature; 2022

https://www.quimica.es/noticias/1175181/la-luz-de-las-moleculas-de-tierras-raras.html