Invención de un Componente Esencial para los Computadores Cuánticos

Por: Dr. Olivier Alirol, Físico de Resonance Science Foundation 

Una de las dificultades de fabricar sistemas cuánticos es que los qubits deben mantenerse coherentes durante todo el proceso. Así, debido a la tecnología actual, los qubits deben estar muy cerca unos de otros, a una distancia entre 10 y 20 nm, para poder comunicarse. Esto deja poco espacio para colocar la electrónica necesaria para que un computador cuántico funcione. Y una de estas partes esenciales para hacer un circuito funcional es el circulador.

El circulador, al igual que el aislante, es crucial en los sistemas de comunicación para la manipulación de las señales. Por ejemplo, en el caso de una señal de RF, el aislador puede utilizarse para proteger a otros componentes de RF de una reflexión excesiva de la señal. Por otro lado, el circulador de RF suele utilizarse para controlar la dirección del flujo de la señal en un circuito. Estos dispositivos son esenciales para dar una dirección estricta a las señales de procesamiento y evitar cualquier retroceso parasitario. El control de estos dispositivos suele realizarse mediante el control del campo magnético. Ser capaz de construir un circuito de este tipo para el qubit ayudará a acercarse a un ordenador cuántico funcional.

"Aunque tuviéramos hoy millones de qubits, no está claro que tengamos la tecnología clásica para controlarlos. [...] La realización de un computador cuántico a escala requerirá la invención de nuevos dispositivos y técnicas en la interfaz cuántica-clásica".

David Reilly, físico de la Universidad de Sidney y director de Microsoft Station Q.

Ejemplo de circuito con un circulador óptico.

Recientemente, un equipo ha conseguido una piedra clave para la realización de un circulador de microondas de campo cero.  Incorporaron dopantes ferromagnéticos en una película delgada de aislante topológico tridimensional, lo que condujo a la realización de un efecto Hall anómalo cuántico. Este resultado proporciona una medida sin contacto con la muestra, y allana el camino para un circuito circulador en chip.

Se predijo que el efecto Hall anómalo cuántico (QAHE), el último miembro de la familia Hall, presentaba una conductividad Hall cuantizada sin ningún campo magnético externo. El QAHE comparte un fenómeno físico similar con el efecto Hall cuántico entero (QHE), mientras que su origen físico se basa en la estructura topológica intrínseca de banda invertida y en el ferromagnetismo. Dado que el QAHE no requiere una entrada de energía externa en forma de campo magnético, este efecto tiene un potencial único para aplicaciones en futuros dispositivos electrónicos de bajo consumo. 

Durante un largo período de exploración, la observación exitosa de la versión cuantizada del efecto Hall anómalo (AHE) en una película delgada de aislante topológico dopado magnéticamente completó un trío Hall cuántico (QHE), efecto Hall de espín cuántico (QSHE) y efecto Hall anómalo cuántico (QAHE). En el frente teórico, se entendió que el AHE intrínseco está relacionado con la curvatura de Berry y el campo gauge U(1) en el espacio del momentum.
 

La firma de esta fase es el efecto Hall anómalo cuántico (QAHE), en el que la conductancia transversal de una barra Hall magnetizada permanece cuantizada en unidades del cuanto de conductancia, incluso en ausencia de un campo magnético externo. Se superó un gran paso cuando los investigadores consiguieron crear un QAHE a temperatura ambiente, en el que los estados de borde se propagan sin disipación.

Ilustración del efecto Hall anómalo cuántico en una película fina de aislante topológico tridimensional con dopantes ferromagnéticos (izquierda). Dibujo de un dispositivo circulador de tres puertos con un aislante topológico magnético (centro). Ilustración del transporte del borde quiral en un dispositivo circulador para diferentes configuraciones de magnetización y puertos (derecha).

El equipo de Alice Mahoney demostró que la respuesta del sistema presenta resonancias que pueden explicarse teniendo en cuenta la lenta velocidad de los plasmones de los bordes cuando atraviesan una longitud de arco del borde del disco de TI en lugar de la masa. En conjunto, sus mediciones de microondas proporcionan pruebas sólidas de que este sistema material admite estados de borde robustos y quirales a campo magnético cero, lo que abre la perspectiva de componentes de microondas compactos basados en aisladores topológicos magnéticos.

Estos circuladores compactos podrían implementarse en diversas plataformas de hardware cuántico, independientemente del sistema cuántico concreto que se utilice.

Alice Mahoney, Universidad de Sydney

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