criostato

Un bibliotecario en un depósito de libros raros toma un volumen del estante y lo devuelve a su lugar sin despertar al gato que dormita cerca. Así funciona la nueva memoria cuántica: atrapa un fotón, lo esconde en la vibración mecánica de un puente diminuto de silicio y lo devuelve a la primera orden.

La escena está bañada en una luz gélida y sobre ella se encuentran los espectadores de silicio. Cada uno es una matriz de pequeños diodos de avalancha capaces de detectar un fotón individual, pero solo si la temperatura ambiente desciende a 165 K.

Un bit magnético que se conmuta con un suave soplo de corriente, no con un imán potente. Así funciona el nuevo dispositivo del Instituto de Semiconductores de la Academia China de Ciencias: el imán laminar Fe3GaTe2 con canal de platino cambia de estado bajo un pulso eléctrico corto.

Un diminuto agujero negro atraviesa una nube de hidrógeno y estira los átomos como si fueran caramelo. Así se ve un superconductor cuando alberga una corriente persistente: el material en el que la electricidad fluye sin pérdidas se convierte en un imán permanente en miniatura.

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 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.

En el microscopio que ve átomos individuales reinan el frío y el silencio: la temperatura ronda los -268 °C y en su interior hay un vacío perfecto. Para colocar átomos de hierro individuales sobre ese escenario, normalmente se necesita un "pasillo" directo desde el evaporador hasta la muestra.

El agua caliente después de la ducha, el aire cálido de la ventilación, las paredes calientes del motor: todo esto es calor por debajo de 100 °C. Normalmente se disipa sin hacer ningún trabajo útil. Ahora se puede capturar y convertir en electricidad. Dentro del nuevo dispositivo hay un alambre de aleación de níquel y titanio.

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.

En el mundo de las partículas cuánticas hay sus propios «introvertidos»: los anyones. No se parecen a los electrones o protones habituales. Si intercambias de lugar a dos de estos «introvertidos», ellos recuerdan la maniobra, como dejando una huella invisible.

Una computadora cuántica de átomos neutros se parece a una ciudad donde los mensajeros — las pinzas láser — transportan físicamente los paquetes entre direcciones. Mientras un mensajero arrastra un átomo por todo el chip, los demás permanecen ociosos. Es lento y genera errores. La nueva arquitectura reemplaza a los mensajeros por una onda de radio compartida.

El té caliente se enfría y el helado se derrite: el calor siempre pasa de lo cálido a lo frío, y esta ley parecía inquebrantable. Pero en el mundo cuántico, incluso las reglas habituales pueden reescribirse.

Dos bailarines en el escenario deben moverse con una sincronización impecable, pero basta con que uno se retrase para que todo el número se eche a perder. Así funcionan aproximadamente los ordenadores cuánticos de átomos neutros: se entrelazan dos átomos llevándolos al estado de Rydberg (enorme, como un globo comparado con un átomo normal) y se espera a que 'bailen' su parte.

En el mundo cuántico, las partículas pueden fusionarse en un único líquido que fluye sin fricción. Una de sus formas más enigmáticas es el líquido cuántico fraccionario de Hall. En él, los electrones o átomos se mueven como un vórtice único, y su carga se divide en fracciones, como un pastel cortado en porciones perfectamente iguales.

Un terrón de azúcar apretado entre los dedos casi seguro se desmorona en lugar de comprimirse de manera uniforme. Un desafío similar enfrentan los creadores de computadoras cuánticas. Necesitan estirar o comprimir ligeramente diminutas placas de silicio, sobre las que luego se colocan los cúbits.

Un transistor de efecto de campo común se parece a un grifo con una manija muy sensible: giras un poco y el agua fluye. En las frías profundidades de una computadora cuántica, donde todo se enfría casi hasta el cero absoluto, ese grifo debe abrirse estrictamente bajo comando.

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.

En una olla de sopa, cada grano es un diminuto imán que quiere orientarse en dirección opuesta a su vecino. Calienta la sopa y los imanes empezarán a agitarse, obedeciendo al calor. Pero, ¿cómo saber cuán desobedientes son a cada temperatura? Para una sustancia ordinaria, esto se calcula en potentes computadoras, probando todas las opciones.

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.

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.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe tocar su parte a la perfección, o la melodía se desmorona. Antes, controlar los cúbits —los "músicos" cuánticos— requería una sala llena de equipos, y cada cable extra añadía ruido.

El cristal que prometía conducir electricidad sin pérdidas a temperatura ambiente resultó ser como un castillo de naipes: tócalo y se desmorona. Dos compuestos, uno con plata y otro con oro, se consideraban candidatos a superconductores, pero la prueba mostró que ambos no resisten ni siquiera las condiciones normales. En la variante de plata, la red simplemente colapsa.

Un cristal de cobre se comprime en un yunque de diamante. La presión aumenta y en el interior del material se desarrolla una lucha entre dos estados: uno prepara a los electrones para la superconductividad, el otro, por el contrario, les impide unirse. Los científicos siguieron esta lucha con destellos láser ultracortos.

Imagina que necesitas examinar un copo de nieve sin dejar que se derrita ni se dañe. Algo así es lo que enfrentan los científicos que quieren estudiar proteínas individuales, esas diminutas máquinas moleculares de la vida. Una proteína en solución tiembla constantemente y se agrupa con sus vecinas, y en un microscopio electrónico el haz la destruye.

Una aguja metálica desciende sobre un trozo de superconductor. Todo ocurre dentro de un refrigerador que enfría la muestra hasta 30 milésimas de grado por encima del cero absoluto, cien veces más frío que el espacio exterior.

Un detector que busca partículas raras se parece a un oído que intenta percibir un susurro en una habitación ruidosa. Cuanto más débil es la señal, más difícil resulta distinguirla del ruido aleatorio.

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 cubito de hielo en el té se derrite sin dejar rastro. Así, los sistemas cuánticos normalmente olvidan rápido su pasado. Pero con un desorden fuerte aparece la localización de muchos cuerpos: las partículas como que se congelan, preservando la memoria. El experimento en un procesador IBM de 144 cúbits duró 5000 ciclos.

La superconductividad es la capacidad de un material para conducir electricidad sin pérdidas. Los cables normales se calientan y parte de la energía se convierte en calor, mientras que un superconductor deja pasar la corriente sin resistencia.

Los materiales cuánticos son como flores caprichosas: solo florecen con el frío. A temperatura ambiente esconden sus propiedades inusuales, pero cuando se enfrían intensamente se vuelven superconductores o cambian su comportamiento magnético. Para entender cómo funcionan, hay que examinar sus átomos en ese mismo frío donde viven esas propiedades.

En los laboratorios donde los átomos se enfrían casi hasta el cero absoluto, cualquier cambio diminuto del campo magnético desajusta todos los parámetros.

El agua en una cacerola no hierve al calentarse, sino que se convierte en hielo. Algo así ocurre con los átomos ultrafríos en una red óptica: una rejilla cristalina de luz que mantiene a los átomos en su lugar. Los científicos simularon este sistema en una computadora para entender cómo cambia el orden al aumentar la temperatura.

Una película delgada de semiconductor de un átomo de espesor se asemeja a un piso compartido: en ella viven electrones con carga negativa y «huecos» con carga positiva.

Un ordenador cuántico es como una orquesta en la que cada músico debe entrar exactamente a tiempo. El más mínimo susurro en la sala desconcierta al violinista y la melodía se desmorona. En los chips de silicio, el papel de esos susurros lo desempeña el ruido eléctrico: fluctuaciones aleatorias de la carga dentro del material. Hacen que los bits cuánticos se equivoquen.

Un sismómetro es el oído del planeta. Capta las mínimas vibraciones del suelo y las convierte en una señal eléctrica. Pero ese oído no es perfecto: su sensibilidad depende de la temperatura. En el frío y en el calor, el instrumento escucha de forma ligeramente distinta, y eso introduce un error en las mediciones.

Las moléculas ultrafrías son un material prometedor para la computación cuántica, pero reunirlas en un arreglo ordenado, como huevos en una caja, no es tarea fácil. Se ha propuesto un método para cargar moléculas una a una en pinzas ópticas o redes directamente desde el gas.

A una temperatura de 0,1 K — tres décimas de grado por encima del cero absoluto — la materia deja de obedecer las reglas habituales. El helio se vuelve superfluido: fluye sin fricción, se filtra por rendijas y se comporta como un único líquido cuántico gigante.

Un bit cuántico es como una peonza que debe girar durante mucho tiempo sin tambalearse. En el germanio, los científicos han aprendido a poner en marcha estas peonzas, pero el suelo siempre tiembla: las interferencias eléctricas perturban el giro.