Resultado histórico para las tecnologías cuánticas

Moléculas individuales de solo dos átomos pueden situarse en un estado de entrelazamiento cuántico, propio de las partículas elementales, y ser utilizadas como potentes cúbits para la computación y la simulación cuánticas, entre otras posibles aplicaciones.

Dos equipos de físicos han logrado por primera vez entrelazar moléculas individuales entre sí y convertirlas en bits cuánticos (cúbits) controlables, abriendo así un amplio abanico de posibilidades para la computación y simulación cuánticas y para el modelado de materiales complejos.

El entrelazamiento cuántico es una característica fundamental de la mecánica cuántica que no está presente en la mecánica clásica.

Ocurre cuando un grupo de partículas se genera, interactúa o comparte una proximidad espacial de tal manera que el estado cuántico de cada partícula del grupo no puede describirse independientemente del estado de las demás, incluso aunque las partículas están separadas por una gran distancia.

Hasta ahora el entrelazamiento cuántico se había conseguido únicamente entre átomos o grupos de átomos, aunque también ha habido intentos de utilizar grandes cantidades de moléculas en computación cuántica que no han tenido mucho recorrido.

Moléculas complejas

Las moléculas, a diferencia de los átomos, tienen una estructura compleja y, por tanto, más grados de libertad en el contexto cuántico. Eso significa que pueden asumir más estados cuánticos que un átomo, un fotón o un ion, por lo que las moléculas permiten métodos innovadores para el almacenamiento y procesamiento de información cuántica, según los investigadores.

De hecho, las moléculas tienen la capacidad de vibrar y girar en varios modos diferentes. Cada uno de estos estados dinámicos se puede utilizar para representar diferentes estados cuánticos mediante cúbits, las unidades fundamentales de información en la computación cuántica que sustituyen a los bits.

La nueva investigación, concretada en dos artículos publicados en la revista Science, ha conseguido algo insólito: unir moléculas individuales de monofluoruro de calcio (compuestas por solo dos átomos), que estaban separadas por grandes distancias, y que formen un sistema cuántico colectivo, lo que permite una gran cantidad de configuraciones para codificar información, mucho más allá de las posibilidades que ofrecen los átomos por sí solos.

Pinzas ópticas

A pesar de sus ventajas, las moléculas son muy difíciles de manipular debido a su complejidad. Para superar esta barrera, los investigadores se valieron de “pinzas ópticas”, unos dispositivos que utilizan rayos láser altamente enfocados para atrapar y controlar partículas extremadamente pequeñas, como moléculas.

El uso de pinzas ópticas para enfriar moléculas a temperaturas ultrabajas es esencial, porque a estas temperaturas es más difícil que las moléculas se vean alteradas por el entorno. Esto permite a los investigadores colocarlas en estados cuánticos específicos necesarios para los experimentos de entrelazamiento.

Además, los investigadores han utilizado también pulsos de microondas para inducir interacciones controladas entre moléculas. Las microondas, al actuar sobre las moléculas atrapadas, permiten modificar sus estados cuánticos de forma coherente y controlada.

Esta consistencia es esencial para el entrelazamiento, porque garantiza que los estados cuánticos de las moléculas estén vinculados de forma predecible y repetible, lo que es imprescindible para que tengan aplicaciones tecnológicas.

Aplicaciones prometedoras

Esta investigación, que ya se considera un “resultado histórico” según Nature, abre nuevas posibilidades para la ciencia cuántica, que es el estudio de los fenómenos que ocurren a escala muy pequeña, como los átomos y las partículas.

El entrelazamiento cuántico tiene muchas aplicaciones potenciales en el campo de la computación, la comunicación, la criptografía y la metrología cuánticas, que son áreas que buscan aprovechar las propiedades cuánticas para realizar tareas que son imposibles o muy difíciles con la tecnología clásica.

Al entrelazar moléculas individuales, que son sistemas más complejos y diversos que las partículas elementales, se pueden explorar nuevos tipos de entrelazamiento y operaciones cuánticas, y se pueden usar asimismo las propiedades de las moléculas para codificar y procesar información cuántica. Con este logro, las moléculas serán la base de una plataforma competitiva capaz de realizar incluso simulación cuántica, añade Nature.

Materiales complejos

Las propiedades de las moléculas las hacen particularmente atractivas también para aplicaciones como la simulación de materiales complejos: pueden imitar los comportamientos complejos de los materiales reales, lo que permitirá a los científicos comprender y predecir mejor sus propiedades, así como explorar áreas de la física y la química que hasta ahora han estado fuera de su alcance.

Además, los cúbits moleculares se pueden utilizar para simular reacciones químicas y ayudar a los científicos a desarrollar nuevos medicamentos, materiales y procesos industriales.

También se pueden utilizar para simular otros sistemas cuánticos, como los sistemas cuánticos de información, lo que podría ayudar a los científicos a comprender mejor cómo funcionan estos sistemas y cómo se pueden utilizar mejor.

Por último, los cúbits moleculares se pueden utilizar para romper códigos criptográficos, lo que tendría implicaciones importantes para la seguridad nacional y la economía.

Referencias

Dipolar spin-exchange and entanglement between molecules in an optical tweezer array. Yicheng Bao et al. Science, 7 Dec 2023; Vol 382, Issue 6675, pp. 1138-1143. DOI: 10.1126/science.adf8999

On-demand entanglement of molecules in a reconfigurable optical tweezer array. Connor M. et al. Science, 7 Dec 2023, Vol 382, Issue 6675; pp. 1143-1147. DOI: 10.1126/science.adf4272