Logran controlar bits cuánticos con pulsos ultrarrápidos de luz para procesar datos mil veces más rápido

Image

Investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), participan en un estudio internacional, en colaboración con el Politecnico di Milano y el Max-Born-Institut de Berlin, que ha logrado codificar y manipular de forma coherente bits cuánticos de valle con pulsos de luz ultrarrápidos. Los bits cuánticos de valle son una forma de almacenar información en ciertos materiales formados por una sola capa de átomos (materiales ultrafinos), donde los electrones pueden situarse en dos estados distintos llamados valles, que funcionan como “dos cajones” cuánticos para guardar datos.

El avance, que se enmarca dentro de la valletrónica —un área que explora precisamente este modo de almacenar y controlar información—, emplea destellos de luz controlados con precisión extrema para mover los electrones entre esos dos “cajones”. Este tipo de control óptico permitiría procesar información a velocidades muy superiores a las de los dispositivos electrónicos actuales. El estudio acaba de publicarse en la revista Nature Photonics.

Lograr una computación cuántica pasa por tener aparatos electrónicos cada vez más pequeños y cada vez más rápidos, pero seguir esta senda llevará pronto a un camino sin salida. A medida que los componentes se hacen demasiado diminutos (Ultrapequeños), aparecen fugas de señal, sobrecalentamiento y fallos de funcionamiento provocados por interacciones no deseadas entre los electrones.

Ante este cuello de botella, una alternativa prometedora es la llamada física ultrarrápida y, dentro de ella, la valletrónica. Estas áreas estudian cómo manipular propiedades cuánticas de los electrones mediante pulsos de luz extremadamente breves, controlados con una precisión tal que pueden durar incluso attosegundos, es decir, una trillonésima parte de un segundo. Este enfoque permite mover los electrones sin necesidad de cables o corrientes eléctricas, sorteando así muchas de las limitaciones de la electrónica tradicional.

“La manipulación de los electrones en estos valles [los “cajones” cuánticos para guardar información] es muy complicada por su velocidad [del orden de femtosegundos, es decir, la millonésima parte de una millonésima de segundo], pero a la vez es esencial manipularlos para emplearlos en computación cuántica”, explica Álvaro Jiménez Galán, investigador del ICMM-CSIC y participante del estudio.

En este trabajo, los investigadores han usado “una secuencia de pulsos de luz para excitar y manipular el pseudoespín del valle en una monocapa de disulfuro de tungsteno y logramos, por primera vez, el control coherente a temperatura ambiente”, añade Rui E. F. Silva, también del ICMM-CSIC y participante de la investigación.  Estos pulsos de luz ultrarrápidos permiten mover los electrones entre los dos “cajones” cuánticos del material —los valles— y dirigir su comportamiento, aunque se trate de un material formado por una sola capa de átomos. El “pseudoespín” es el modo técnico de describir hacia cuál de esos dos valles se inclina el electrón.

Los resultados de esta investigación abren una nueva ruta para el procesamiento de información más rápida, con control mediante el uso de un tipo de pulsos de luz ultrarrápidos que ya están disponibles: “Esto ha sido posible ahora gracias a que hemos logrado aplicar en materiales una tecnología de control ultrarrápido pionera, con base en la física de attosegundos, desarrollada por investigadores del grupo de Giulio Cerullo en el Politecnico de Milán”, añade Eduardo Bernal Molinero, exinvestidagador del ICMM-CSIC, ahora en Indra. La física de attosegundos permite controlar la luz en tiempos extremadamente breves, un dominio en el que hasta hace unos años solo se trabajaba con gases, no con materiales sólidos.

“Nuestro trabajo supera dos obstáculos críticos para la implementación de dispositivos vallelectrónicos a temperatura ambiente: el control totalmente óptico del grado de libertad del valle y la ejecución de operaciones lógicas en cascada a una velocidad muy alta, superando los terahercios”, añade Pablo San-José, también investigador del ICMM-CSIC que participa en el estudio. El control óptico de los “grados de libertad del valle” se refiere a poder dirigir a los electrones hacia uno u otro de los dos “cajones” cuánticos (valles) del material usando únicamente pulsos de luz, sin necesidad de aplicar corrientes eléctricas. Las operaciones lógicas en cascada son secuencias de pasos —como los que realiza un procesador al comparar, sumar o almacenar datos— que este estudio da pie a ejecutar a velocidades de terahercios, es decir, billones de operaciones por segundo.

Trabajar en esta escala de los terahercios supone dar un salto enorme frente a los procesadores electrónicos actuales, que funcionan solo en gigahercios, o lo que es lo mismo, miles de millones de operaciones por segundo. La técnica demostrada en este estudio operaría, por tanto, mil veces más rápido que los chips más avanzados de hoy.