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La técnica permite tratar a los qubits como moléculas individuales, lo que facilita la predicción de su comportamiento de manera más rápida y precisa. Este avance podría abrir la puerta a importantes progresos en diversas áreas de la ciencia, al identificar más fácilmente materiales prometedores para la tecnología cuántica. Los resultados de esta investigación fueron publicados recientemente en ACS Central Science y han llamado la atención de otros científicos en el campo.
Uno de los principales desafíos en el desarrollo de la tecnología cuántica es encontrar materiales que puedan mantener estados cuánticos delicados en condiciones prácticas. Muchos de los candidatos requieren temperaturas extremadamente bajas para funcionar de manera confiable. Sin embargo, los materiales de diamante se destacan porque ciertas propiedades cuánticas pueden seguir siendo útiles incluso a temperatura ambiente. Esta capacidad podría impulsar tecnologías que son importantes para las prioridades de investigación nacional y el desarrollo de computación de próxima generación. Los sensores cuánticos prometen niveles de sensibilidad y precisión que superan a los instrumentos convencionales, mientras que los ordenadores cuánticos podrían eventualmente resolver problemas extraordinariamente complejos mucho más rápido que las supercomputadoras más potentes de hoy.
Aunque los diamantes están compuestos de átomos de carbono, un cristal de diamante perfecto no es suficiente para crear un sistema de computación cuántica útil. La clave radica en pequeñas irregularidades dentro de la estructura cristalina. Estas imperfecciones, conocidas como defectos, pueden ocurrir cuando un átomo de carbono falta en su posición normal, cuando otro elemento reemplaza a un átomo de carbono, o cuando ambos cambios ocurren simultáneamente. Los átomos que rodean estos defectos pueden formar qubits, las unidades básicas utilizadas para almacenar y procesar información cuántica en ordenadores y sensores cuánticos.
Sin embargo, encontrar los defectos más útiles ha sido complicado. Modelar con precisión su comportamiento cuántico tradicionalmente requiere enormes recursos computacionales, lo que dificulta la evaluación de un gran número de candidatos posibles.
Mark Martirez, un científico investigador del Laboratorio de Plasma de Princeton (PPPL), ha desarrollado un método para reducir drásticamente la complejidad de los cálculos relacionados con los defectos en los diamantes. En lugar de simular una estructura de diamante mucho más grande, Martirez aísla una pequeña región que contiene entre 16 y 30 átomos alrededor de un defecto. Al "esculpir" este diminuto conjunto atómico y tratarlo como una molécula separada, puede utilizar potentes métodos computacionales que los químicos han perfeccionado durante décadas. Estas técnicas establecidas permiten analizar las propiedades cuánticas de los defectos en diamantes de manera mucho más eficiente, sin sacrificar el alto nivel de precisión necesario para los cálculos.
"Al tratar los qubits como moléculas, el costo de calcular estos defectos es equivalente al costo de modelar una molécula simple", afirmó Martirez. "Este método realmente abrió las compuertas" en términos de cómo se pueden evaluar los qubits. La nueva técnica permite a los investigadores calcular cómo responden diferentes qubits a la luz láser y a los pulsos de microondas de manera mucho más rápida que antes. Utilizando este enfoque, el equipo identificó defectos prometedores que involucran boro y oxígeno, los cuales podrían servir como nuevos tipos de qubits.
La luz desempeña un papel importante en cómo los científicos interactúan con los qubits de diamante. Los investigadores utilizan láseres y pulsos de microondas para manipular sus estados cuánticos y recuperar la información almacenada. Gran parte del trabajo previo en este ámbito se ha centrado en un defecto conocido como el centro de vacante de nitrógeno. Esta estructura se forma cuando un átomo de nitrógeno ocupa el lugar de un átomo de carbono en un cristal de diamante, mientras que una posición adyacente que normalmente contendría otro átomo de carbono permanece vacía. Bajo la iluminación láser, este tipo de defecto puede emitir luz roja cuando ocupa un estado cuántico particular.
Los nuevos defectos investigados ofrecen diferentes propiedades ópticas. Los defectos de oxígeno pueden producir luz azul, mientras que los que involucran boro emiten luz ultravioleta. Estas diferencias podrían permitir combinar varios tipos de qubits dentro de un único dispositivo cuántico. Dado que cada tipo responde de manera diferente a la luz, los investigadores podrían interactuar con un grupo de qubits sin perturbar a otro. "Uno podría imaginar, entonces, combinando diferentes qubits con diferentes respuestas, de modo que se pueda sondear un qubit pero no el otro", concluyó Martirez.
Más allá de identificar nuevos candidatos, los hallazgos sugieren un cambio más amplio en la forma en que los investigadores abordan la tecnología cuántica. Los qubits de diamante han sido estudiados tradicionalmente desde una perspectiva física, pero comprender su química subyacente podría ofrecer formas adicionales de diseñarlos. Martirez considera que los investigadores podrían eventualmente diseñar qubits para funciones específicas utilizando principios similares a los que aplican los químicos al crear moléculas especializadas, incluidas aquellas diseñadas para nuevos medicamentos.
Los beneficios potenciales se extienden mucho más allá del desarrollo de computadoras cuánticas en sí. Martirez ve una posibilidad intrigante en la que los avances facilitados por la química cuántica eventualmente conduzcan a tecnologías cuánticas que ayuden a mejorar el campo de la química. En otras palabras, la química cuántica podría desarrollar las herramientas necesarias para "enriquecerse a sí misma" en las próximas décadas.
Un sistema cuántico práctico que contenga múltiples qubits podría hacer que los cálculos moleculares sean sustancialmente más precisos. Esto permitiría a los científicos estudiar estructuras químicas cada vez más complejas, incluidas grandes moléculas biológicas y proteínas, con un nivel de detalle que es difícil de alcanzar utilizando métodos convencionales. "Podríamos describir moléculas más grandes, biomoléculas, proteínas y todo eso de una manera más precisa, y eso podría mejorar todas las industrias adyacentes a la química, como la ciencia farmacéutica y la ciencia de materiales. Incluso nuestra comprensión fundamental de los sistemas moleculares podría enriquecerse".
Tales mejoras podrían tener implicaciones de gran alcance para el desarrollo farmacéutico, la investigación de materiales y el estudio fundamental de cómo se comportan las moléculas. Martirez también espera que la investigación incentive a más químicos a explorar la física del estado sólido. Aunque construir computadoras cuánticas avanzadas a menudo se considera un desafío principalmente para los físicos, él argumenta que la química ofrece una experiencia valiosa que podría ayudar a acelerar el progreso. "En este momento, hay un gran énfasis en construir la primera computadora cuántica de vanguardia", dijo. "Pero no son solo los físicos quienes deberían participar en esta investigación. Los químicos tienen décadas de intuición desarrollada sobre sistemas químicos que podrían traducirse fácilmente en la comprensión de defectos en sólidos también".
Al unir estas disciplinas, los científicos podrían desarrollar métodos más efectivos para descubrir, comprender y, eventualmente, diseñar los materiales cuánticos necesarios para las tecnologías del futuro. Este enfoque interdisciplinario busca avanzar en el campo de la computación cuántica, donde los defectos en los diamantes podrían ser clave para el desarrollo de qubits, los componentes básicos de las computadoras cuánticas.
La investigación fue financiada a través del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido del Laboratorio de Plasma de Princeton (PPPL), bajo el número de contrato principal DE-AC02-09CH11466, con apoyo adicional de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU., específicamente de la Oficina de Ciencias de la Energía de Fusión. Este respaldo es fundamental para continuar explorando las propiedades únicas de los materiales cuánticos y su potencial aplicación en tecnologías avanzadas.
Entre los temas relacionados se encuentran la materia y energía, la química, la física, la ingeniería y construcción, así como la química orgánica. Además, se abordan aspectos de computación y matemáticas, incluyendo rompecabezas matemáticos, modelado computacional y ciencias de la computación. Estos campos interrelacionados son esenciales para el avance de la tecnología cuántica y su integración en aplicaciones prácticas.
Los términos asociados a esta investigación incluyen computadoras cuánticas, energía solar, entrelazamiento cuántico, introducción a la mecánica cuántica, y la omnipresencia del poder computacional. También se mencionan nanopartículas y puntos cuánticos, que son elementos clave en el desarrollo de nuevas tecnologías en el ámbito cuántico.
La fuente de esta historia es la Universidad de Princeton, que ha proporcionado los materiales necesarios para la investigación. Cabe destacar que el contenido puede ser editado por cuestiones de estilo y longitud. La referencia del artículo es: John Mark P. Martirez. "A Chemist’s Guide to Solid-State Qubits: Diamond Color Centers as Embedded Vacancy-Centered Molecules". ACS Central Science, 2026; 12 (10): 1578 DOI: 10.1021/acscentsci.6c00548.
Fuente original: ScienceDaily.
