Los nanotubos de carbono son el hogar ideal para hacer girar bits cuánticos

06-mar-2023 (Noticias de Nanowerk) Los científicos están compitiendo vigorosamente para transformar los descubrimientos contraintuitivos sobre el reino cuántico de un siglo pasado en tecnologías del futuro. El componente básico de estas tecnologías es el bit cuántico o qubit. Se están desarrollando varios tipos diferentes, incluidos los que utilizan defectos dentro de las estructuras simétricas del diamante y el silicio. Es posible que algún día transformen la informática, aceleren el descubrimiento de fármacos, generen redes imposibles de hackear y más. Trabajando con investigadores de varias universidades, los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto un método para introducir electrones giratorios como qubits en un nanomaterial huésped (Nature Communications, “Qubits de espín electrónico de larga duración en nanotubos de carbono de pared simple”). Los resultados de sus pruebas revelaron tiempos de coherencia récord, la propiedad clave para cualquier qubit práctico porque define la cantidad de operaciones cuánticas que se pueden realizar durante la vida útil del qubit. Representación artística de nanotubos de carbono modificados químicamente que albergan un electrón giratorio como qubit. (Imagen: Laboratorio Nacional de Argonne) Los electrones tienen una propiedad análoga al giro de un trompo, con una diferencia clave. Cuando las peonzas giran en su lugar, pueden girar hacia la derecha o hacia la izquierda. Los electrones pueden comportarse como si estuvieran rotando en ambas direcciones al mismo tiempo. Esta es una característica cuántica llamada superposición. Estar en dos estados al mismo tiempo hace que los electrones sean buenos candidatos para los qubits de espín. Los spin qubits necesitan un material adecuado para alojarlos, controlarlos y detectarlos, así como leer información en ellos. Con eso en mente, el equipo eligió investigar un nanomaterial que está hecho solo de átomos de carbono, tiene una forma tubular hueca y un grosor de solo alrededor de un nanómetro, o una mil millonésima parte de un metro, aproximadamente 100,000 XNUMX veces más delgado que el ancho de un cabello humano. “Estos nanotubos de carbono suelen tener unos pocos micrómetros de largo”, dijo Xuedan Ma. "En su mayoría están libres de giros nucleares fluctuantes que interferirían con el giro del electrón y reducirían su tiempo de coherencia". Ma es científica en el Centro de materiales a nanoescala (CNM) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. También tiene cargos en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago y el Instituto de Ciencias e Ingeniería Northwestern-Argonne de la Universidad Northwestern. El problema que enfrentó el equipo es que nanotubos de carbon por sí mismos no pueden mantener un electrón girando en un sitio. Se mueve sobre el nanotubo. Investigadores anteriores han insertado electrodos separados por nanómetros para confinar un electrón giratorio entre ellos. Pero este arreglo es voluminoso, costoso y difícil de ampliar. El equipo actual ideó una forma de eliminar la necesidad de electrodos u otros dispositivos a nanoescala para confinar el electrón. En cambio, alteran químicamente la estructura atómica en un nanotubo de carbono de una manera que atrapa un electrón giratorio en un lugar. “Para nuestra satisfacción, nuestro método de modificación química crea un qubit de espín increíblemente estable en un nanotubo de carbono”, dijo el químico Jia-Shiang Chen. Chen es miembro del CNM y becario postdoctoral en el Centro de Transducción Cuántica Molecular de la Universidad Northwestern. Los resultados de las pruebas del equipo revelaron tiempos de coherencia récord en comparación con los de los sistemas fabricados por otros medios: 10 microsegundos. Dado su pequeño tamaño, la plataforma spin qubit del equipo se puede integrar más fácilmente en los dispositivos cuánticos y permite muchas formas posibles de leer la información cuántica. Además, los tubos de carbono son muy flexibles y sus vibraciones pueden usarse para almacenar información del qubit. “Hay un largo camino desde nuestro spin qubit en un nanotubo de carbono hasta las tecnologías prácticas, pero este es un gran paso inicial en esa dirección”, dijo Ma.

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• Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62511.php