Molècules magnètiques per a la computació quàntica

Científics de l'Institut de Ciència Molecular de la Universitat de València (ICMol) proposen l'ús de molècules, en lloc d'àtoms, per a realitzar operacions quàntiques. El treball, una perspectiva que posa en valor el paper de la Química en les Tecnologies Quàntiques, acaba de publicar-se en la revista Nature Chemistry. Aquesta estratègia escurça el camí cap a un dels sants grials de la física aplicada moderna: la construcció d'ordinadors quàntics.

En concret, els investigadors proposen la utilització de molècules, en lloc d'àtoms, per a realitzar operacions quàntiques, aprofitant la versatilitat de la química per a dissenyar molècules magnètiques que es comporten com a bits quàntics –o qubits– i que es puguen replicar en números elevats.

En comparació amb els ordinadors i dispositius actuals, que es basen en transistors per a processar ‘bits’ d'informació en forma de 0 i 1 binaris, els ordinadors quàntics auguren un augment exponencial de la velocitat a l'hora de fer tasques computacionals.

L'enorme poder dels qubits –l'anàleg quàntic del bit en informàtica– podria acabar deixant arrere les màquines actuals i revolucionant camps com la química computacional o la criptografia, fonamental aquesta última per a la seguretat de les comunicacions.

Aquests avanços semblen possibles en el món quàntic, on les lleis físiques són molt diferents a les que regeixen la vida quotidiana de les persones. No obstant això, aquests estats quàntics són també molt fràgils i sensibles a l'entorn en el qual estan immersos, per la qual cosa el desenvolupament dels avançats dispositius que augura la mecànica quàntica resulta en extrem complicat d'aconseguir amb els materials que coneixem.

Els dos problemes principals amb què es topa la computació quàntica són, d'una banda, la dificultat de mantenir el temps suficient la informació quàntica, i per un altre, ser capaç de processar-la per a realitzar operacions quàntiques. En l'article, els científics proposen utilitzar la versatilitat que ofereix la química per a resoldre aquests problemes. D'una banda, el disseny a mesura d'una molècula magnètica amb composició, forma i geometria controlades permet fer que aquests qubits magnètics duren més temps i siguen menys sensibles a l'entorn (és a dir que presenten coherències quàntiques elevades). Per una altra, la química permet preparar molècules idèntiques en grans quantitats, assemblar-les de forma controlada i situar-les amb precisió nanométrica sobre un dispositiu capaç de controlar, llegir i mediar en la comunicació entre aquestes unitats moleculars. Aquesta “escalabilitat” pot permetre implementar portes lògiques quàntiques i integrar-les en dispositius amb la finalitat d'emmagatzemar i processar la informació.

El treball publicat en Nature Chemistry és una breu revisió –una Perspective– que posa en valor el paper que la Química pot jugar en un camp emergent que beu principalment de la Física: les Tecnologies Quàntiques. Els seus autors són un equip internacional de físics i químics format per Alejandro Gaita-Ariño i Eugenio Coronado (ICMol, Universitat de València), Fernando Luis (ICMA, CSIC i Universitat de Saragossa) i Steve Hill (National High Magnetic Field Laboratory and Department of Physics, Florida State University, Tallahassee, FL, USA).

L'article es recolza en avanços recents del mateix equip d'investigadors, que inclouen assoliments com el treball publicat a Nature en 2016 sobre el disseny i estudi de molècules magnètiques d'òxid de tungsté, que actuen com qubits i que en certes condicions es tornen insensibles al soroll magnètic.

Aquesta aproximació química a la computació quàntica representa una alternativa molt prometedora als esquemes basats en circuits superconductors que promouen gegants de la informàtica, com Google, IBM i Intel. Es tracta d'una línia de marcat lideratge europeu i espanyol, ja que els autors de l'article coordinen, des d'Espanya, un projecte internacional finançat pel programa QuantERA de la Unió Europea, dins l'àmbit de les Tecnologies Quàntiques, que té en mires el disseny d'un processador quàntic basat en molècules magnètiques cablejades mitjançant circuits superconductors.