Manipulation of molecular spin qudits with quantum circuits

Darío González Díez (Universidad de Zaragoza). Tutor: Fernando Luis Vitalla

La computación cuán.ca está llamada a revolucionar la forma en la que procesamos la información. Mientras que el bit es la unidad lógica fundamental de los ordenadores convencionales, o “clásicos”, en computación cuán.ca este papel lo realiza el qubit, un sistema cuántico de dos niveles. Además de los estados ‘0’ y ‘1’ accesibles a un bit clásicos, cada qubit puede encontrarse en cualquier combinación lineal de ambos (por ejemplo ‘0’ + ‘1’). Esta capacidad de explorar diversos estados en paralelo otorga a la computación cuántica ventajas a la hora de resolver algunos problemas muy complejos, relacionados con la seguridad informática, la búsqueda en grandes bases de datos o la simulación de moléculas y materiales, por ejemplo.

A pesar de que hoy en día existen distintas propuestas para la construcción de un hardware cuán.co, como circuitos superconductores o espines electrónicos en semiconductores, nosotros nos centramos en el uso de moléculas magnéticas orgánicas. El diseño químico de la estructura molecular permite proteger a los iones magnéticos de interacciones con el entorno, lo que aumenta la robustez de los estados cuánticos frente al ruido. Además, la presencia de múltiples estados de espín permite la realización Qsica de un qudit, la generalización de un qubit a d dimensiones, lo que ofrece la posibilidad de utilizar cada molécula como un procesador cuántico a escala microscópica.

El reto es encontrar una arquitectura que permita operar y leer los estados de qudits moleculares de espín y que sea escalable, para abordar problemas cada vez más complejos. En este trabajo exploramos el uso de circuitos superconductores que han demostrado ser una plataforma apropiada, por ejemplo en procesadores basados en qubits superconductores como los de Google o IBM. Hemos utilizado resonadores superconductores LC fabricados en un chip para caracterizar dos moléculas distintas: el radical libre orgánico PTMr, que al atrapar un electrón representa un qubit de espín modelo, y un trímero molecular [DyLaDy], que puede codificar dos qubits o un qudit de dimensión d = 4. Experimentos con pulsos de micro-ondas muestran la alta calidad de nuestros resonadores y su capacidad para modificar y detectar cambios en los estados de espín, aunque no haya sido posible todavía medir los “ecos” de espín que caracterizan el control coherente de los qubits.

[Trabajo completo]