El desarrollo de una computadora cuántica capaz de resolver problemas que las computadoras clásicas solo pueden resolver con gran esfuerzo o, directamente, no pueden, es el objetivo que persiguen actualmente un número cada vez mayor de equipos de investigación en todo el mundo. La razón: los efectos cuánticos, que se originan en el mundo de las partículas y estructuras más pequeñas, permiten numerosas aplicaciones tecnológicas nuevas. Los llamados superconductores, que permiten procesar información y señales según las leyes de la mecánica cuántica, se consideran componentes prometedores para la realización de computadoras cuánticas. Sin embargo, un inconveniente de las nanoestructuras superconductoras es que solo funcionan a temperaturas muy bajas y, por lo tanto, son difíciles de incorporar a aplicaciones prácticas.
Investigadores de la Universidad de Münster y del Centro de Investigación Jülich han demostrado por primera vez la cuantización de energía en nanocables fabricados con superconductores de alta temperatura, es decir, superconductores cuya temperatura es inferior al límite donde predominan los efectos cuánticos. El nanocable superconductor adopta entonces únicamente estados energéticos específicos que pueden utilizarse para codificar información. En estos superconductores de alta temperatura, los investigadores también observaron por primera vez la absorción de un solo fotón, una partícula de luz que transmite información.
«Por un lado, nuestros resultados pueden contribuir al uso de tecnologías de refrigeración considerablemente simplificadas en tecnologías cuánticas en el futuro; por otro lado, nos ofrecen perspectivas totalmente nuevas sobre los procesos que rigen los estados superconductores y su dinámica, que aún no se comprenden», subraya el líder del estudio, el profesor adjunto Carsten Schuck, del Instituto de Física de la Universidad de Münster. Por lo tanto, los resultados podrían ser relevantes para el desarrollo de nuevos tipos de tecnología informática. El estudio se ha publicado en la revista Nature Communications.
Los científicos utilizaron superconductores compuestos de itrio, bario, óxido de cobre y oxígeno (YBCO, por sus siglas en inglés), a partir de los cuales fabricaron nanocables de unos pocos nanómetros de espesor. Cuando estas estructuras conducen corriente eléctrica, se producen dinámicas físicas denominadas "deslizamientos de fase". En el caso de los nanocables de YBCO, las fluctuaciones en la densidad de portadores de carga provocan variaciones en la supercorriente. Los investigadores estudiaron los procesos en los nanocables a temperaturas inferiores a 20 Kelvin, lo que equivale a -253 grados Celsius. Mediante cálculos de modelos, demostraron la cuantización de los estados energéticos en los nanocables. La temperatura a la que los nanocables entraban en el estado cuántico se situó entre 12 y 13 Kelvin, una temperatura varios cientos de veces superior a la requerida para los materiales que se utilizan habitualmente. Esto permitió a los científicos producir resonadores (sistemas oscilantes sintonizados a frecuencias específicas) con una vida útil mucho mayor y mantener los estados cuánticos durante más tiempo. Este es un requisito indispensable para el desarrollo a largo plazo de ordenadores cuánticos cada vez más potentes.
Otros componentes importantes para el desarrollo de tecnologías cuánticas, y potencialmente también para el diagnóstico médico, son los detectores capaces de registrar incluso fotones individuales. El grupo de investigación de Carsten Schuck en la Universidad de Münster lleva varios años trabajando en el desarrollo de detectores de fotones individuales basados en superconductores. Lo que ya funciona bien a bajas temperaturas, científicos de todo el mundo llevan más de una década intentando lograrlo con superconductores de alta temperatura. En los nanocables de YBCO utilizados en el estudio, este intento ha tenido éxito por primera vez. «Nuestros nuevos hallazgos abren el camino a nuevas descripciones teóricas y desarrollos tecnológicos verificables experimentalmente», afirma Martin Wolff, coautor del estudio e integrante del grupo de investigación de Schuck.
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Fecha de publicación: 7 de abril de 2020