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Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) ha logrado un importante avance en la física cuántica y la investigación de materiales: por primera vez se han podido inicializar, controlar y leer ópticamente los espines nucleares de un material molecular.
Los espines nucleares se consideran portadores especialmente estables de información cuántica debido a su escasa interacción con el entorno. Los resultados demuestran que los espines nucleares moleculares podrían ser un prometedor bloque de construcción para futuras tecnologías cuánticas. Publicación en Nature Materials.
La resonancia magnética nuclear (RMN) es un método analítico consolidado para analizar materiales y moléculas. Abarca desde los análisis químicos hasta el procesamiento cuántico de la información.
En un estudio reciente, investigadores del KIT analizaron un cristal molecular que contenía iones de europio. Estos iones presentan transiciones ópticas especialmente estrechas que permiten acceder directamente a los estados de espín nuclear. Utilizando luz láser, primero pudieron convertir los espines nucleares en estados definidos y luego leerlos ópticamente.
Además del direccionamiento óptico, los investigadores utilizaron campos de alta frecuencia para controlar los espines y protegerlos de las interferencias del entorno. De este modo, consiguieron una coherencia cuántica de espín nuclear con una vida útil de hasta dos milisegundos, un intervalo de tiempo en el que un sistema cuántico mantiene un estado mecánico cuántico definido con precisión.
"Los resultados demuestran que los materiales moleculares pueden ser una plataforma prometedora para futuros dispositivos cuánticos", afirma el profesor David Hunger, del Instituto de Física del KIT. "Resulta especialmente ventajoso que podamos abordar aquí los espines nucleares sin interferencias de espines electrónicos. Esto permitirá realizar en el futuro registros de qubits especialmente estables y densamente empaquetados".
Los cristales moleculares estudiados fueron sintetizados por investigadores del Instituto de Materiales y Tecnologías Cuánticos y del Instituto de Nanotecnología del KIT en el grupo de investigación del profesor Mario Ruben y caracterizados exhaustivamente en cuanto a su idoneidad como plataforma cuántica.
A largo plazo, los espines nucleares direccionables ópticamente en moléculas abren nuevas perspectivas para el desarrollo de ordenadores cuánticos escalables. Los sistemas moleculares pueden personalizarse químicamente y permitir así qubits de precisión atómica.
La resonancia magnética nuclear detectada ópticamente (ODNMR) también hace posible la realización de nuevos métodos de RMN de alta resolución que permitirán la investigación detallada de materiales complejos en el futuro.
Así pues, los resultados de la investigación ponen de relieve el gran potencial de los sistemas moleculares para las futuras tecnologías cuánticas y suponen un paso importante hacia los sistemas de procesamiento cuántico ópticamente conectables en red.
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