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Decoherence in magnetic molecules as qubits

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Nuevos avances en computación cuántica

Investigadores financiados por la Unión Europea han realizado avances importantes en la comprensión del mayor obstáculo para la creación de ordenadores cuánticos, un fenómeno conocido como decoherencia.

Economía digital

La búsqueda de ordenadores cuánticos capaces de realizar cálculos tremendamente complejos de forma extremadamente rápida basándose en las propiedades de excitación de las partículas cuánticas se enfrenta a un obstáculo importante: la decoherencia. Mientras los ordenadores tradicionales se basan en los «bits» para codificar información, los ordenadores cuánticos se basan en bits cuánticos, o «cubits». A diferencia de los bits tradicionales, que adoptan bien el valor 0 o bien el valor 1, los cubits pueden adoptar ambos simultáneamente, lo que en teoría permitiría un procesamiento auténticamente en paralelo y aumentaría enormemente la capacidad de computación. Sin embargo, la decoherencia, o el cambio aleatorio de los estados cuánticos como resultado de las interacciones con el entorno, dificulta el control y la explotación de los cubits. Para las moléculas magnéticas, la teoría predice tres factores que contribuyen principalmente a la decoherencia: los espines nucleares, las interacciones dipolares intermoleculares y los fonones. Los investigadores europeos iniciaron el proyecto DECMMQUBIT («Decoherencia en moléculas magnéticas como cubits») para estudiar los fenómenos anteriores en sistemas de cubits de espín de imanes moleculares. El objetivo era mejorar la comprensión de la decoherencia y minimizarla para hacer avanzar las fronteras de la computación cuántica. Como primer paso, los científicos eligieron dos moléculas (polioxometalatos) cuya síntesis es posible sin espines nucleares. Los estudios teóricos demostraron que tenían bastante probabilidad de presentar un comportamiento de imán de molécula simple (SMM) y por ello eran excelentes candidatos para los cubits de espín. Después se sintetizaron las SMM y se caracterizaron magnéticamente. La siguiente etapa consistió en preparar muestras diluidas magnéticamente y puras con las que demostrar que la aplicación de un campo magnético transversal reducía significativamente la contribución de las interacciones dipolares a la decoherencia. Finalmente, se estudiaron las constantes de acoplamiento entre fonones (cuantos de energía vibracional) y distintos tipos de bromuro de potasio (KBr) y sistemas de dos niveles de cianuro (CN), con cálculos para apoyar los valores medidos experimentalmente. En conjunto, los investigadores del proyecto DECMMQUBIT realizaron estudios teóricos y experimentales de los tres principales contribuyentes a la decoherencia de los cubits. Seguir investigando los descubrimientos del proyecto debería facilitar aún más la comprensión de las moléculas magnéticas como objetos cuánticos y ayudar a superar la barrera existente para el desarrollo futuro de ordenadores cuánticos.

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