qubit de carga

En una habitación tranquila, sin un solo imán, dos electrones en una trampa de silicio siguen sintiendo un leve temblor. Lo crean los núcleos de los átomos de silicio y germanio, que giran caóticamente como las agujas de brújulas rotas. Antes se consideraba ese temblor una molestia, pero ahora se ha convertido en un instrumento de medición.

Un intérprete en una sala de audiencias debe transmitir cada palabra sin distraerse por el ruido ambiente. En el mundo cuántico, ese intérprete es un resonador superconductor que debe perder fotones siguiendo un horario estricto, sin desviarse por efectos extraños.

En un pasillo estrecho, la gente no camina en masa, sino en filas. El número de filas depende del ancho del paso. En el grafeno, el papel de ese pasillo lo desempeña un contacto puntual cuántico: una constricción donde los electrones se mueven balísticamente, sin dispersarse.

Un ordenador cuántico no es solo un conjunto de cúbits, sino toda una ciudad donde cada habitante es uno de los posibles estados de la máquina completa. Los habitantes se conocen entre sí a través de las interacciones débiles entre los cúbits: si un estado puede transformarse en otro, se establece un hilo de conocimiento entre ellos.

A bajas temperaturas, muchos materiales se vuelven superconductores: la corriente fluye sin resistencia. Pero, ¿cómo ocurre exactamente si los electrones estaban primero atrapados en un aislante? Hace medio siglo, Philip Anderson sugirió que la respuesta reside en una danza cuántica especial de las partículas.

Gota a gota desde un grifo, o un chorro uniforme sin una sola salpicadura. Así se ven aproximadamente los dos regímenes de corriente en un contacto superconductor. Solo que el papel del agua lo desempeñan los pares de Cooper: electrones enlazados que se mueven sin resistencia.

Un resonador vacío no está del todo vacío. Incluso en el vacío absoluto, donde no hay ni un solo fotón, habitan las fluctuaciones cuánticas. Son como el oleaje en un mar en calma: la superficie parece lisa, pero las moléculas no dejan de vibrar. Los físicos han aprendido a convertir esa vibración en ondas reales.

En los superconductores, los electrones se unen en pares y fluyen sin resistencia. Normalmente, estos pares se distribuyen de manera uniforme, como el agua en un lago tranquilo. Pero a veces surge un rizo en el material: los pares se agrupan y se dispersan con un paso determinado. Este estado se denomina superconductividad con onda de densidad de pares.

Una trampa de luz mantiene a un átomo casi inmóvil, como una bolita sobre un resorte suave. Pero en cuanto aparece una aceleración, por ejemplo la gravedad, el equilibrio se desplaza. El átomo se mueve dentro de la onda de luz estacionaria, y esto cambia el ritmo al que intercambia energía con el campo.

Panal lleno de "miel" electrónica. En estado normal, los electrones se mueven de forma desordenada, pero al enfriarse fuertemente pueden unirse en pares: así nace la superconductividad. La forma de estos pares, o simetría de apareamiento, determina las propiedades del material: unos bailan vals, otros foxtrot.

Los cúbits superconductores son el corazón palpitante de las computadoras cuánticas, pero su ritmo se ve perturbado por la decoherencia: la cuanticidad se disuelve en el ruido.

La superconductividad a menudo se representa como una danza congelada de electrones: se unen en pares y se mueven sin resistencia, como patinadores sobre hielo perfecto. Pero en los superconductores de alta temperatura, ese hielo resulta no ser tan liso.

La vieja pregunta sobre el demonio de Maxwell —si un ser inteligente puede burlar la segunda ley de la termodinámica y bombear calor del frío al caliente— adquiere un nuevo significado en el mundo cuántico.

En el cristal CsV3Sb5-xSnx, que a bajas temperaturas se vuelve superconductor, la corriente no fluye como un flujo continuo, sino por estrechos caminos sinuosos.

En algunos materiales, la corriente eléctrica puede fluir sin la menor pérdida: esto es la superconductividad. Pero antes de convertirse en superconductor, la materia suele pasar por un estado extraño: los electrones ya se sienten entre sí y forman pares, pero aún no pueden moverse en conjunto.

Mediante espectroscopía láser — un método que puede compararse con escuchar el eco de un cristal — los físicos investigaron un material en capas. Encontraron regiones donde los electrones se mueven libremente (bolsas de Fermi) y observaron que cada una de esas regiones se comporta de manera diferente.

En las profundidades de una estrella de neutrones masiva , donde una cucharadita de materia pesa como una montaña, los quarks están comprimidos hasta una cercanía inimaginable.

Tres cuerdas de guitarra en el mismo instrumento, pero las clavijas de cada una giran con distinta fuerza: una cede de inmediato, otra cuesta girarla y la tercera se atasca. Así es más o menos trabajar con puntos cuánticos de silicio: diminutas islas-cubits donde cada una requiere su propio «voltaje-clavija» para sonar bien.

Un columpio puede balancearse con fuerza o apenas perceptiblemente. Por lo general, si no lo tocas, permanece en el modo elegido. Pero en el micromundo todo es diferente: una membrana diminuta que oscila bajo la acción de un rayo láser puede saltar espontáneamente de una amplitud a otra.

Dos intérpretes de simultánea están sentados en la misma cabina. El primero traduce del inglés al ruso, pero se traga la mitad de las palabras. El segundo, del ruso al francés, y también pierde la mitad. Si los juntamos, parece que será un desastre: las pérdidas se sumarán y al oyente solo llegará una cuarta parte del sentido. Pero, ¿y si empiezan a corregirse mutuamente?

Las baterías comunes pierden carga, como se enfría el té. La batería cuántica funciona de otra manera: su corazón es una diminuta cavidad con fotones que se mueven frenéticamente. Si se la irradia con pares especiales de fotones, la energía fluye a una cadena de celdas-cúbits instantáneamente — como un columpio que se acelera con empujones fuertes.

La pista de baile está llena de gente: cada uno se mueve por su cuenta, nadie se toma de las manos. De repente, la música se vuelve más fuerte y rítmica: los vecinos empiezan a agarrarse unos a otros, formando parejas que giran sincronizadas.

Antes de montar un enorme rompecabezas, hay que fabricar las piezas; de lo contrario, la imagen no se completa. En los ordenadores cuánticos basados en fusión, el papel de esas piezas lo desempeñan diminutos cúmulos de luz: los estados de recurso fotónico. Se hacen colisionar y se miden para ir tejiendo gradualmente el tejido computacional.

Una batería normal de teléfono acumula energía en enlaces químicos: lentamente, con calentamiento y desgaste. Un condensador cuántico funciona de otra manera: no se carga con materia, sino con ritmo. Un columpio que se balancea al compás de los empujones acumula energía en el propio movimiento, sin fricción.

Una piedra cae en un estanque y por el agua se extienden ondas concéntricas. En física, una ley de conservación similar opera para la energía y el momento: lo que había, permanece. Pero en el espacio-tiempo curvo, donde la gravedad manda, definir cantidades conservadas es más complicado.

En un superconductor, los electrones se agrupan en pares, como bailarines que se toman de las manos. Normalmente, la distancia entre ellos —el tamaño del par— depende de la rapidez con la que se mueven y de la fuerza de su unión. Pero a veces la pista de baile casi desaparece y no hay lugar para moverse.

Un autobús abarrotado donde cada pasajero es un electrón. En un superconductor, los pasajeros se emparejan y se mueven al unísono, sin pérdidas de energía. Pero en los superconductores de alta temperatura, como los cupratos, esta idílica situación solo funciona si se suben pasajeros extra. Si, en cambio, se baja a alguien, las parejas empiezan a comportarse de manera extraña.

En el mundo de los superconductores, a los electrones no les gusta la soledad. Normalmente se unen en pares, los pares de Cooper, y se mueven sin resistencia, como patinadores que se toman de las manos. Pero se les puede hacer bailar de a cuatro.

Cuatro músicos tocan en armonía solo si se toman de las manos. En el mundo cuántico, esa cadena la forman cuatro electrones en cuatro puntos cuánticos vecinos, pequeñas trampas para la carga. Esta es la base del cubit SAGE (del inglés «intercambio sin brecha siempre activo en singletes»).

El cristal del compuesto de uranio UTe2 se asemeja a un pastel de capas donde los electrones fluyen sin resistencia. Pero si se observa su superficie con un microscopio, se aprecia una ondulación, como las olas en el agua tras lanzar una piedra.

En las baterías cuánticas, la carga se puede acelerar si se mezclan los pasos en el tiempo, como una baraja de cartas. En lugar de un crecimiento suave de la energía, se producen explosiones repentinas de eficiencia, como microscópicas supernovas dentro de los átomos.

En un resonador superconductor, la luz no solo se refleja: abraza al qubit con tanta fuerza que su danza conjunta ya no puede describirse con los libros de texto antiguos.

Un cúbit superconductor común se parece a un columpio que cualquier ráfaga de viento hace oscilar. El más mínimo cambio en la carga eléctrica cercana y el estado cuántico ya está arruinado.

Una computadora cuántica es como una orquesta, donde cada cúbit es un músico que toca su parte. Pero de vez en cuando irrumpe un rayo cósmico en la sala, y el violinista se sobresalta y pierde el ritmo. Estas partículas del espacio profundo atraviesan el chip, expulsan electrones extra y estropean la frágil música cuántica.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe tocar su nota sin desafinarse. Pero los cúbits superconductores tienen un problema común: en sus electrodos se acumulan cargas aleatorias y la «nota» se desvía. Los ingenieros llaman a esto deriva de la compensación de carga y normalmente luchan contra ello durante años.

Una computadora cuántica basada en espines de electrones se parece a una fila de diminutas peonzas. Cada peonza gira en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario: eso es un cubit. Para conocer el resultado del cálculo, normalmente se detiene la peonza y se observa hacia dónde ha caído.

Desde hace tiempo se sospechaba que el efecto Hall cuántico era superfluyente, capaz de fluir sin fricción. Imagina a un cocinero que sigue una receta: por cada unidad de flujo magnético debe colocar exactamente un número determinado de electrones.

Una gota de metal sobre un semiconductor es como una isla en el mar. Para llegar a esa isla, un electrón debe pagar un "peaje": superar una barrera que surge porque la isla es diminuta y cada carga adicional cambia mucho su energía. Este fenómeno se conoce como bloqueo de Coulomb.

Una batería cuántica es un dispositivo que almacena energía en los estados cuánticos de las partículas. En el nuevo estudio, la batería se modeló con un par de cúbits, los portadores de información más pequeños, capaces de estar en el estado «cero», «uno» o en una mezcla de ambos.

Dentro de algunos materiales, la corriente eléctrica fluye sin la menor resistencia. Son los superconductores, y solo funcionan con un frío intenso. Los óxidos de cobre son un caso especial: mantienen la superconductividad a temperaturas algo más altas, pero el porqué es un misterio desde hace cuarenta años.