Científicos juegan al ping-pong con electrones

Científicos de la Universidad de Cambridge han demostrado un increíble grado de control sobre el aspecto más fundamental de un circuito electrónico, la manera en que los electrones se mueven de un lugar a otro. Los investigadores del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) han logrado mover un electrón a lo largo de un alambre, desplazándolo hacia atrás y hacia adelante más de sesenta veces, como una bola en un juego de ping-pong. Los resultados del estudio, publicado en la revista Nature, podrían tener aplicaciones en la computación cuántica, por ejemplo, transfiriendo bits cuánticos entre el procesador y la memoria.

Para explicarlo, los investigadores han utilizado la siguiente metáfora: si alguien está en una fiesta y quiere llegar al otro lado de una habitación llena de gente para hablar con otra persona, debe sortear a aquellos que caminan, bailan o simplemente están de pie en el camino. También tendrá que parar y saludar a los amigos en el camino, así que cuando llegue junto a la persona con la que quería hablar puede que ya haya olvidado lo que iba a decir. Sería agradable que esta persona pudiese elevarse por encima de la multitud, y ser empujado directamente a su destino.

De manera similar, los electrones que circulan llevando corriente por un cable no van directamente de un extremo al otro, sino que siguen un complicado camino en zigzag. Esto es un problema si el electrón lleva información ya que el estado cuántico pierde coherencia.

En esta investigación, un solo electrón puede ser atrapado en un punto cuántico, justo en la superficie de una pieza de arseniuro de galio, mientras va de un canal a otro, vacío, que está a 4 millonésimas de metro de distancia. Una exlosión muy corta de sonido (de sólo unas pocas millonésimas de segundo de duración) se envía a lo largo de la superficie, hacia el punto cuántico. La onda de acompañamiento de potencial eléctrico recoge el electrón, el cual se encuentra navegando por el canal, donde es capturado. Una explosión de sonido enviada desde la dirección opuesta del electrón hace que vuelva al punto de partida, donde se repite el proceso. El electrón va y viene como una pelota de ping-pong.

«El movimiento de los electrones por la superficie de onda acústica también se puede comparar con la peristalsis en el esófago, donde el alimento es impulsado desde la boca hasta el estómago por una onda de contracción muscular», explica el doctorando Rob McNeil, el estudiante de doctorado que realizó la mayor parte de la investigación, ayudado por el doctor Masaya Kataoka de la Universidad de Cambridge.

«Esta tecnología facilita el desarrollo de ordenadores cuánticos», afirma Chris Ford, jefe del equipo de investigación del Grupo de Física de Semiconductores del Laboratorio Cavendish, y agrega que «el ordenador cuántico puede resolver ciertos problemas complejos mucho más rápido que los ordenadores clásicos. Sin embargo, hasta ahora se han hecho pocos esfuerzos para conectar diferentes componentes, tales como el procesador y la memoria. Aunque los experimentos aún no muestran que los electrones ‘recuerden’ su estado cuántico, es probable que este sea el caso, así que este método de transferencia sería el mejor candidato para mover bits cuánticos de información (qubits) en un circuito cuántico».

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