Sin embargo, aprovechar el poder de los qubits es notoriamente complicado. Por ejemplo, dos de los tipos más comunes: qubits superconductores, que a menudo están hechos de capas de aluminio delgadas y qubits de iones atrapados, que utilizan los niveles de energía de los electrones de un ion para representar 1enviornment 0S: debe mantenerse a temperaturas que se acercan a cero absoluto (–273 ° C). Mantener refrigeradores especiales para mantenerlos frescos puede ser costoso y difícil. Y aunque los investigadores han logrado un progreso significativo recientemente, ambos tipos de qubits han sido históricamente difíciles de conectarse a sistemas más grandes.
Ansiosa por explorar el potencial de los qubits moleculares, Freedman ha sido pionero en un enfoque único “de abajo hacia arriba” para crearlos: diseña moléculas novedosas con propiedades cuánticas específicas para servir como qubits dirigidos a aplicaciones individuales. En lugar de centrarse en un objetivo basic, como maximizar el tiempo de coherencia (cuánto tiempo puede preservar su estado cuántico), comienza preguntando qué tipos de propiedades se necesitan para, por ejemplo, un sensor destinado a medir los fenómenos biológicos a nivel molecular. Luego, ella y su equipo se propusieron crear moléculas que tienen estas propiedades y son adecuadas para el entorno donde se utilizarían.
Cortesía de Danna Freedman
Hecho de un átomo metálico central rodeado de átomos de hidrocarburos, los qubits moleculares almacenan información en su giro. La información codificada se traduce más tarde a fotones, que se emiten para “leer” la información. Estos qubits se pueden ajustar con precisión láser (imagina que ajusta un dial de radio) modificando la resistencia de los ligandos o enlaces, conectando los hidrocarburos con el átomo de metallic. Estos lazos actúan como pequeños pordas de ajuste; Al ajustar su fuerza, los investigadores pueden controlar con precisión el giro del qubit y la longitud de onda de los fotones emitidos. Esa luz emitida se puede utilizar para proporcionar información sobre los cambios a nivel atómico en los campos eléctricos o magnéticos.
Mientras que muchos investigadores están ansiosos por construir computadoras cuánticas escalables y escalables, Freedman y su grupo dedican la mayor parte de su atención al desarrollo de moléculas personalizadas para sensores cuánticos. Estos sensores ultrasensibles contienen partículas en un estado tan delicadamente equilibrados que los cambios extremadamente pequeños en sus entornos los desequilibran, lo que hace que emitan luz de manera diferente. Por ejemplo, un qubit diseñado en el laboratorio de Freedman, hecho de un átomo de cromo rodeado por cuatro moléculas de hidrocarburos, puede personalizarse para que pequeños cambios en la resistencia de un campo magnético cercano cambien sus emisiones de luz de una manera explicit.
Un beneficio clave de usar tales moléculas para la detección es que son lo suficientemente pequeños, solo un nanómetro o más de ancho, para acercarse mucho a lo que están sintiendo. Eso puede ofrecer un nivel de precisión sin precedentes al medir algo como el magnetismo de la superficie de los materiales bidimensionales, ya que la resistencia de un campo magnético decae con la distancia. Un sensor cuántico molecular “podría no ser más inherentemente preciso que un sensor cuántico competidor”, cube Freedman, “pero si puede perder un orden de magnitud de distancia, eso puede darnos mucha información”. La capacidad de los sensores cuánticos para detectar cambios eléctricos o magnéticos a nivel atómico y hacer mediciones extraordinariamente precisas podría ser útil en muchos campos, como monitoreo ambiental, diagnóstico médico, geolocalización y más.
Al diseñar moléculas para servir como sensores cuánticos, el grupo de Freedman también tiene en cuenta la forma en que se puede esperar que actúen en un entorno de detección específico. La creación de un sensor para el agua, por ejemplo, requiere una molécula appropriate con agua, y un sensor para usar a temperaturas muy bajas requiere moléculas que estén optimizadas para funcionar bien en el frío. Según las moléculas de ingeniería personalizada para diferentes usos, el laboratorio Freedman tiene como objetivo hacer que la tecnología cuántica sea más versátil y ampliamente adaptable.
Abrazando la interdisciplinariedad
A medida que Freedman y su grupo se centran en el trabajo altamente específico de diseñar moléculas personalizadas, es muy consciente de que aprovechar el poder de la ciencia cuántica depende de los esfuerzos colectivos de los científicos de diferentes campos.
“Quantum es un campo amplio y heterogéneo”, cube ella. Ella cree que intenta definirlo por poco lastimar la investigación colectiva, y que los científicos deben dar la bienvenida a la colaboración cuando la investigación los lleva más allá de su propio campo. Incluso en el escenario aparentemente sencillo de usar una computadora cuántica para resolver un problema de química, necesitaría un físico para escribir un algoritmo cuántico, ingenieros y científicos de materiales para construir la computadora y químicos para definir el problema e identificar cómo la computadora cuántica podría resolverlo.
