Las computadoras cuánticas, como cualquiera que haya cotizado una sabe, son un dolor de cabeza. Requieren temperaturas cercanas al cero absoluto (-459°F), que es aproximadamente la temperatura del espacio profundo y, casualmente, la temperatura de la paciencia de la mayoría de la gente con la tecnología. Pero investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado un dispositivo óptico a nanoescala que funciona a temperatura ambiente al vincular las propiedades cuánticas de la luz y los electrones. Esto podría conducir a tecnologías cuánticas más pequeñas y baratas que realmente puedan transmitir información a largas distancias sin necesidad de una instalación criogénica.
El dispositivo permite el entrelazamiento entre fotones (partículas de luz) y electrones, un requisito fundamental para la comunicación cuántica. Jennifer Dionne, profesora de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y autora principal del estudio publicado en Nature Communications, señala que el material no es nuevo, sino la forma en que lo están usando. "Proporciona una conexión de espín muy versátil y estable entre electrones y fotones que es la base teórica de la comunicación cuántica", dice. "Sin embargo, típicamente los electrones pierden su espín demasiado rápido para ser útiles". Así que arreglaron eso.
El artilugio combina una fina capa patroneada de diseleniuro de molibdeno (MoSe2) con un sustrato de silicio nanopatroneado. El diseleniuro de molibdeno pertenece a una familia llamada dicalcogenuros de metales de transición (TMDC), que son apreciados por sus propiedades ópticas y cuánticas. Las nanoestructuras de silicio generan lo que los investigadores llaman "luz retorcida". Feng Pan, becario postdoctoral y primer autor del artículo, explica: "Los fotones giran en forma de sacacorchos, pero más importante, podemos usar estos fotones giratorios para impartir espín a los electrones que son el corazón de la computación cuántica". Así que básicamente es un retorcedor de luz muy pequeño y muy preciso.
Las nanoestructuras patroneadas tienen aproximadamente el tamaño de las longitudes de onda de la luz visible — invisibles al ojo humano, pero cruciales para manipular fotones para que giren hacia arriba o hacia abajo. Esta luz retorcida puede entrelazarse con los espines de los electrones, creando qubits, los bloques de construcción de la información cuántica. En la computación convencional, son ceros y unos; en la cuántica, los qubits explotan efectos cuánticos para hacer las cosas de manera diferente. El gran obstáculo ha sido la decoherencia — la pérdida de información cuántica — que normalmente requiere enfriamiento extremo para prevenirla. Este dispositivo la evita al operar a temperatura ambiente, haciéndolo relativamente barato y práctico.
Si se desarrolla más, la tecnología podría impulsar comunicaciones seguras, detección avanzada, computación de alto rendimiento e inteligencia artificial. El equipo eligió materiales TMDC por sus inusuales características cuánticas, colaborando con los investigadores de Stanford Fang Liu y Tony Heinz, especialistas en estos materiales. "Todo se reduce a este material y nuestro chip de silicio", dice Pan. "Juntos, confinan y mejoran eficientemente el retorcimiento de la luz para crear un fuerte acoplamiento de espín entre fotones y electrones. Esto estabiliza el estado cuántico que hace posible la comunicación cuántica".
Los investigadores continúan mejorando el dispositivo, explorando materiales TMDC adicionales y combinaciones para un mejor rendimiento. También están investigando si estos sistemas podrían desbloquear nuevas capacidades cuánticas no posibles actualmente a temperatura ambiente. Un objetivo a largo plazo es integrar tales dispositivos en redes cuánticas más grandes, lo que requiere mejoras en fuentes de luz, moduladores, detectores e interconexiones. En última instancia, esperan que los componentes cuánticos puedan miniaturizarse para la electrónica cotidiana. "Si podemos hacer eso, tal vez algún día podríamos hacer computación cuántica en un teléfono móvil", dice Pan con una sonrisa. "Pero ese es un plan de más de 10 años". Así que no contengas la respiración, pero tal vez empieza a planificar un teléfono mucho más frío.