medición criogénica de microondas

Un diminuto diamante, invisible al ojo, reposa sobre un chip y siente el calor como ningún termómetro común. En su interior se esconden dos defectos: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por uno de nitrógeno, y junto a él, un hueco.

En lugar de un baño de hielo, una camisa de gas caliente. Así es como ahora se enfría el comparador criogénico de corriente en el Instituto Nacional de Metrología de Japón. Antes, este instrumento, que compara corrientes eléctricas con una precisión de milmillonésimas, requería sumergirse en helio líquido.

Un barco en una botella no se monta desde fuera, sino desde dentro: por el cuello estrecho se pasan mástiles y velas, y dentro del vidrio adoptan por sí solos la postura adecuada. Algo parecido hicieron los químicos con una molécula individual de cobaltoceno, que introdujeron en la rendija entre capas de un cristal bidimensional.

El horno microondas calienta la comida, pero en el laboratorio las microondas han hecho algo distinto: han convertido un superconductor en un imán permanente. Una película de óxido de itrio, bario y cobre de 300 nanómetros de espesor, enfriada a 80 kelvin, respondió a una radiación de 5 gigahercios.

Un detector superconductor normalmente funciona como una regla honesta: absorbe un fotón y emite un pulso cuya amplitud es estrictamente proporcional a la energía. Este modo es cómodo, pero tiene un techo: una señal débil se pierde fácilmente en el ruido del amplificador. Ahora imaginemos un columpio.

Una lámpara común brilla de manera constante, pero un faro emite destellos cortos. Científicos de Londres hicieron que un diminuto diamante funcionara como un faro, pero no para la luz, sino para las ondas de radio. Para ello, añadieron un poco de nitrógeno al cristal y luego lo iluminaron con un láser verde.

Un laboratorio cuántico se parece a una cocina donde el cocinero espera un día entero a que se enfríe la placa. Los cúbits superconductores solo funcionan a temperaturas de centésimas de kelvin, y cada ciclo de “enfriar, medir, calentar” se come una jornada.

Un agujero negro es un laberinto del que no se puede salir. Pero, ¿qué ocurre con la información en su interior? Para comprobarlo, los físicos no viajaron hasta el agujero más cercano, sino que construyeron una diminuta réplica en un procesador cuántico.

Un interferómetro cuántico superconductor es un dispositivo que detecta campos magnéticos miles de millones de veces más débiles que la aguja de una brújula común. En su interior hay un puente estrecho donde la superconductividad se interrumpe por un instante.

El plasma de microondas en un vórtice es como una batidora de cocina que calienta y mezcla el gas a la vez. En el reactor, el gas se hace girar y las microondas lo calientan hasta miles de grados, rompiendo las moléculas de dióxido de carbono. Los científicos han creado un modelo computacional de este reactor para entender cómo afecta la presión al proceso.

Las computadoras cuánticas cometen errores. Cada qubit es como una canica en la punta de un lápiz: si la mano tiembla un poco, se cae. Para que las canicas no caigan, se necesita alguien que note el temblor y corrija a tiempo.

Un destello corto de luz se parece a una frase musical: se pueden distinguir notas individuales si se escucha con mucha atención. Pero en el mundo cuántico, esas "notas" —los modos temporales— están comprimidas a picosegundos, y la óptica convencional apenas las distingue.

Un receptor de radio del tamaño de la palma de la mano puede medir la potencia de la señal con más precisión que los costosos bancos de laboratorio. En su interior no hay bobinas ni antenas, solo una cabeza de vidrio y una nube de átomos de rubidio enfriados casi hasta el cero absoluto.

Una molécula polar se parece a una pesa diminuta con cargas distintas en sus extremos. Normalmente, estas partículas se pegan o se separan rápidamente al encontrarse: las fuerzas eléctricas son demasiado fuertes. Pero los autores del trabajo encontraron la manera de convertir esa agresividad en un juego controlable.

Dos pequeñas pesas, cada una del peso de un grano de arena, cuelgan en la oscuridad a una temperatura más fría que el espacio exterior. No se tocan, pero entre ellas hay un hilo invisible: la gravedad. El experimento que ahora construyen los físicos debe captar el momento en que ese hilo tira de una pesa debido al movimiento de la otra.

La célula viva emite constantemente débiles señales magnéticas, como si susurrase. Los científicos escuchan estos susurros con dos «micrófonos» microscópicos: sensores de campo magnético.

Las tecnologías cuánticas necesitan urgentemente un «traductor» universal entre los lenguajes de las microondas y la luz. Los qubits superconductores se comunican mediante ondas centimétricas, mientras que los fotones en fibra óptica lo hacen en frecuencias ópticas.

La orquesta coordinada de electrones en un superconductor es fácil de sacar de ritmo. Los golpes térmicos destruyen el frágil orden y la resistencia regresa. Durante décadas, los científicos han buscado formas de fortalecer este conjunto, principalmente cambiando la composición del material o comprimiéndolo a presiones inimaginables.

Un imán del tamaño de un grano de arroz flota en el vacío sin tocar las paredes. Lo sostiene el campo magnético de una trampa superconductora: un anillo enfriado a un estado en el que la corriente fluye sin resistencia.

Las leyes cuánticas gobiernan el mundo de los átomos. Para que un objeto grande también se vuelva cuántico, hay que congelarlo casi hasta el cero absoluto en criostatos. Los físicos hicieron lo contrario: con un láser silenciaron una membrana a temperatura ambiente. La membrana, como una diminuta campana, vibra por los empujones térmicos.

Una diminuta esfera de una fracción de miligramo, suspendida en un campo magnético y enfriada casi hasta el cero absoluto, oscila 110 horas sin detenerse: un récord de aislamiento. La pérdida de energía es tan pequeña que la entropía del sistema casi no aumenta, y cualquier influencia externa se vuelve detectable.

Un diapasón suena cada vez más débil no porque dejen de sostenerlo, sino porque la propia mano que lo golpea crea a su alrededor una suspensión invisible que amortigua las vibraciones. Algo parecido le ocurre a un resonador superconductor: una diminuta pista por la que una señal de microondas viaja casi sin pérdidas.

Las hileras de cables que van de la sala templada al frigorífico con el chip cuántico recuerdan a una centralita telefónica enredada del siglo pasado. Cada cúbit exigía su propio canal analógico para un ajuste fino, y los cables aportaban calor extra y se enredaban entre las manos.

Una memoria USB normal en el bolsillo se calienta incluso cuando está simplemente guardada. Ahora imagina una memoria que en el frío casi no gasta nada, como un termo que no se enfría. El superconductor a la temperatura del helio líquido conduce la corriente sin pérdidas, pero no podía almacenar datos. La nueva celda cambia eso.

El cirujano extirpa un tumor de mama, pero ¿cómo saber si no ha quedado ninguna célula enferma en el borde? Hoy en día, el tejido se envía al laboratorio y la respuesta tarda varios días. Si el borde no está limpio, se necesita una segunda operación. El nuevo método promete dar la respuesta directamente en el quirófano, mientras la paciente aún está en la mesa.

Cientos de personas en una pista de baile están a igual distancia unas de otras: un orden estricto, como en una red cristalina. La música lenta son las vibraciones térmicas, que hacen que los bailarines empiecen a balancearse ligeramente. Si la música se vuelve más fuerte y rápida, el orden se derrumba: todos se mezclan.

Una multitud en una calle estrecha avanza lentamente porque la gente choca entre sí. En el silicio, el calor se transfiere mediante "empujones" similares: vibraciones de los átomos llamadas fonones. Si se perforan diminutos agujeros en una película de silicio, los fonones chocan con ellos como peatones con postes, y el calor fluye peor.

El campo magnético de la Tierra, que hace girar la aguja de una brújula, es fuerte. El nuevo sensor detecta campos cien mil veces más débiles, y para ello no necesita ni helio líquido ni instalaciones voluminosas. Todo cabe en una placa de circuito impreso, igual que la que hay dentro de un teléfono inteligente.

Una cuerda de guitarra suena más tiempo si no la tocas de más. Algo parecido le ocurre a un resonador, un dispositivo que vibra a una sola frecuencia, como un diapasón. Un grupo de ingenieros ha construido un "diapasón" de nitruro de aluminio, más pequeño que un grano de arena, y lo ha hecho vibrar 16 mil millones de veces por segundo.

Los qubits en una computadora cuántica superconductora son como cuerdas muy tensas. Cuando una partícula del espacio o de la desintegración de un elemento radiactivo pasa volando, golpea esas cuerdas y estas comienzan a vibrar. Esa vibración rompe los frágiles estados cuánticos y los cálculos se descarrilan.

En el acelerador de Fermilab, un haz de partículas golpea un blanco de amoníaco congelado. Los núcleos de hidrógeno en su interior son como pequeñas peonzas, y los físicos necesitan que todas giren en la misma dirección. Entonces las colisiones revelarán cómo está hecho el espín del protón.

Un láser común es un amplificador de luz en el que los átomos, tras recibir energía, emiten de forma coordinada ondas de una misma frecuencia. El máser hace lo mismo, pero con microondas, esa radiación invisible que calienta la comida en el microondas y transmite señales en los teléfonos.

Cualquier cocinero sabe que si la masa se pega a la sartén depende de lo que ocurre en la frontera entre dos medios. Para los metales fundidos, esa frontera permaneció invisible durante mucho tiempo: las temperaturas superiores a 200 °C impedían ver átomos individuales.

Las luciérnagas destellan en un bosque oscuro: se ve cada destello, pero no el vuelo. El microscopio de gas cuántico puede mostrar átomos fríos individuales, como esas luciérnagas. Pero hasta ahora no podía decir a qué velocidad se movían. Ahora los científicos han encontrado la manera de solucionarlo.

Después del Big Bang, el Universo bullía como una 'sopa' ardiente de partículas fundamentales. Al expandirse y enfriarse, la sopa se fue 'solidificando' gradualmente en protones y neutrones, de forma parecida a la cristalización.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta donde cada músico toca su parte, pero basta con que el director agite la batuta un poco más fuerte para que los instrumentos más delicados se desafinen por el calor extra. Controlar cúbits a 10 mK (300 veces más frío que un congelador) es como dirigir una orquesta en una sala helada, donde incluso el aliento puede estropearlo todo.

Un electrón en un campo magnético es como una diminuta peonza que gira y emite un débil 'chirrido' a su frecuencia. Escuchar ese chirrido directamente es casi imposible: se pierde en el ruido. Los científicos han ideado un resonador: una tira superconductora de microondas que funciona como un diapasón afinado a la misma nota.

La corriente eléctrica en un superconductor es como una multitud que corre por un pasillo sin fricción. Pero en los superconductores de tipo II hay obstáculos: diminutos vórtices de campo magnético que la corriente desplaza. Cuando un vórtice se mueve, aparece resistencia y la corriente disminuye.

El magnetómetro cuántico basado en núcleos de hidrógeno funciona como auriculares con cancelación activa de ruido. Escucha el campo alternativamente de dos formas distintas: el ruido es igual en ambas, pero la señal útil es diferente. Al restar una de la otra, el dispositivo aísla la señal, reduciendo las interferencias más de 1000 veces.

La soldadura convencional no sirve para circuitos cuánticos: al enfriarse hasta la temperatura del helio líquido, el metal se agrieta y los contactos introducen ruido.