Un coro cuántico de 13 000 núcleos: un nuevo tipo de cúbit para las redes de comunicación del futuro

Físicos del Reino Unido y Austria han desarrollado un nuevo tipo de cúbit en el que la información se almacena en un conjunto de espines nucleares dentro de una nanostructura semiconductora. Los investigadores lograron crear un estado especial de la materia que podría utilizarse como registro de memoria en las redes del futuro.

Las redes de nueva generación permitirán la transmisión de datos entre sistemas informáticos remotos y otros dispositivos basándose en las leyes de la mecánica cuántica. Estas redes no solo facilitarán la distribución de tareas computacionales, sino que también garantizarán un cifrado seguro de la información. Aunque estas tecnologías aún están en sus primeras etapas, actualmente emplean fotones en estados cuánticos entrelazados para la transmisión de datos.

Uno de los principales desafíos en la construcción de estas redes es que los fotones, al viajar largas distancias, van perdiendo la información codificada en ellos. Para solucionar este problema, la red necesita incorporar nodos repetidores capaces de recibir señales debilitadas, amplificarlas y retransmitirlas. Para ello, se requieren elementos de memoria altamente fiables.

Las nanostructuras semiconductoras conocidas como puntos cuánticos ya han demostrado ser eficientes como fuentes de fotones individuales. Son capaces de emitir luz en longitudes de onda estrictamente definidas, con alta coherencia y brillo. Estos fotones se generan cuando los electrones cambian de nivel energético y son ideales para codificar y transmitir información.

Sin embargo, los estados electrónicos en estas nanostructuras no son idóneos para el almacenamiento de datos, lo cual es crucial para los nodos de la red. Esto se debe a que cada punto cuántico contiene miles de núcleos atómicos cuyos espines cambian de orientación de manera caótica. Este "ruido nuclear" provoca una rápida degradación de la información almacenada en los estados electrónicos.

En investigaciones previas, los científicos habían demostrado cómo mitigar este ruido nuclear observando su influencia en el comportamiento de los electrones. Basándose en este enfoque, desarrollaron un algoritmo de retroalimentación especial que suprime las fluctuaciones aleatorias en los espines nucleares, mejorando significativamente la estabilidad del cúbit electrónico.

En el nuevo experimento, el equipo utilizó un punto cuántico de arseniuro de galio y, mediante su algoritmo, logró alinear los espines de 13 000 núcleos en una estructura coherente conocida como estado oscuro. Esta configuración es extremadamente estable y no interactúa con la radiación externa.

Durante las pruebas, los investigadores observaron un fenómeno sorprendente: bastaba con inducir una única excitación colectiva –un magnon, que afecta simultáneamente a todos los núcleos– para cambiar todo el conjunto entre dos estados distintos. En esencia, estos estados forman la base de una celda de memoria, donde las configuraciones de los espines nucleares actúan como los ceros y unos de un sistema binario.

El equipo también demostró la posibilidad de intercambiar información entre el sistema nuclear y el estado electrónico del punto cuántico. La precisión de este proceso alcanzó el 70 %, y la memoria creada retuvo el estado almacenado durante aproximadamente 130 microsegundos, un resultado notable para este tipo de sistemas.

Además, identificaron los factores que actualmente limitan la confiabilidad y duración del almacenamiento de datos. Entre ellos se encuentran la interacción entre diferentes tipos de oscilaciones nucleares y la pérdida progresiva de orientación de los espines debido a la exposición a la luz.

El método desarrollado podría convertir una aparente desventaja de las nanostructuras –la presencia de múltiples espines nucleares– en una ventaja para la transmisión de información. La combinación de un registro de múltiples cúbits con estos puntos cuánticos es particularmente prometedora, ya que estos ya se producen en serie como fuentes eficientes de fotones individuales.

Más allá de sus aplicaciones prácticas, esta tecnología abre nuevas posibilidades para la ciencia fundamental. Permitirá explorar fenómenos hasta ahora desconocidos y profundizar en la comprensión de sistemas complejos en los que numerosas partículas interactúan entre sí a escala microscópica.