qubit de trampa de iones

En la cámara oscura de la trampa, miles de partículas cargadas danzan bajo los campos eléctricos. Al principio se mueven libremente, como una multitud en una plaza, pero en cuanto se enfría la nube, la danza se ralentiza: los iones empiezan a sentirse entre sí, sus pasos se vuelven rígidos.

El agua de un río, al rodear una piedra, cambia su curso: parte de las corrientes se pega a la superficie, parte se desprende y gira río abajo. Una computadora clásica calcula estos flujos dividiendo el líquido en millones de pequeñas porciones y siguiendo a cada una.

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.

Un cartógrafo que dibuja no montañas ni ríos, sino las conexiones invisibles entre electrones: así podría describirse la nueva red neuronal. En lugar de coordenadas atómicas, toma orbitales moleculares y traza un grafo donde los nodos son los orbitales y las aristas, sus medidas de entrelazamiento cuántico.

La luz que no llega a la cámara deja igualmente su huella en ella. Así funciona el nuevo método de fotografía: se ilumina el objeto con un color y la imagen se compone a partir de otro. En el cristal, las ondas de luz se mezclan y la información sobre lo invisible se transfiere al rayo visible. En el experimento se utilizó un cristal de tiogalato de plata.

Un intérprete que se ha aprendido todas las réplicas de antemano responde al instante — no necesita escuchar toda la conversación de nuevo. Así funciona el nuevo modelo: no hace correr átomos en la computadora durante horas, sino que entrega de inmediato la energía libre del cristal a cualquier temperatura y presión.

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 átomo solitario de erbio yace sobre un sustrato de plata, y su espín —la rotación interna del electrón— almacena información cuántica. Antes, para invertir ese espín se necesitaba un pulso magnético: una herramienta tosca que afecta a los vecinos y trabaja lentamente. Ahora, físicos de Alemania y Corea han demostrado que basta con un voltaje eléctrico.

En una fila apretada de átomos, separados por distancias menores que la longitud de onda de la luz, se esconde un estado asombroso. La excitación se reparte entre todas las partículas de tal manera que su radiación se anula a sí misma.

Un ordenador cuántico normalmente se parece a una cadena de montaje: las operaciones van una tras otra y cada error se acumula. En el nuevo trabajo, los físicos probaron un camino diferente: una arquitectura donde el cálculo surge del propio proceso de medición. Tomaron 56 iones en una trampa y tejieron con ellos una nube tridimensional de partículas entrelazadas.

Las redes cuánticas del futuro recuerdan a la torre de Babel: cada nodo habla su propio dialecto. Unos almacenan la información en la polarización del fotón —la dirección de oscilación de la onda luminosa—. Otros, en bits temporales, es decir, en el momento exacto en que llega el pulso.

El recocedor cuántico se parece a un horno inteligente: busca el punto más bajo en el paisaje energético para encontrar la respuesta. Pero muchos problemas con restricciones, como "elegir exactamente tres objetos", no se pueden cargar directamente en ese horno. Hay que traducirlos al lenguaje de fórmulas cuadráticas sin restricciones, y normalmente se hace con multas.

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.

El campo magnético mantiene una partícula diminuta en el aire, como un compañero de baile invisible. Un ajuste especial del campo crea una trampa con dos «posiciones». En el mundo ordinario, el bailarín ocupa solo una, pero en el cuántico, ambas a la vez. Los físicos han logrado esto para motas de polvo que pesan billonésimas de gramo.

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.

Un láser no es solo luz. Si haces que una partícula oscile como un péndulo y esas oscilaciones se autoalimentan, obtienes un láser fonónico. Suena complicado, pero la idea es simple: en lugar de ondas de luz, el dispositivo emite ondas mecánicas regulares: fonones. En el nuevo trabajo, ese "péndulo" es un único ion de calcio atrapado en una trampa electromagnética.

Un simulador cuántico de trampas de iones se parece a una orquesta donde cada ion es un músico y el bus de fonones (las vibraciones colectivas) es el director que transmite las señales. Mientras todos tocan la misma melodía, todo va bien.

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.

Una batería de litio se parece a una pequeña ciudad: los iones de litio son los habitantes que se mudan entre los barrios-electrodos, generando corriente.

Un chef no gasta ingredientes preparando el plato entero para probar el sabor; simplemente prueba una gota de salsa. La misma lógica está en el método de ‘emparejamiento informativo’ para predecir la resistencia de los metales.

Una trampa invisible de luz láser retuvo 11 mil átomos: un récord para la ingeniería cuántica. Antes los físicos se las arreglaban con decenas de estas partículas; ahora la cuenta llegó a miles. Cada átomo se convierte en un cúbit —un bit cuántico, a la vez cero y uno, como una moneda girando sobre su canto.

Cientos de peonzas están en un carrusel. Cada una gira por su cuenta, pero además todo el carrusel rota. La tarea es tocar cualquier peonza y girar su eje mientras pasa.

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.

Una computadora cuántica mide la energía de una molécula más o menos como una cinta métrica vieja que solo tiene marcas cada metro. Si la longitud real de la mesa es de 2,37 metros, la cinta mostrará «dos y algo», y no se puede ser más preciso. Los físicos llaman a esto resolución: el paso de la rejilla, más fino que el cual no se puede saltar.

El núcleo atómico es un muelle natural de fuerza colosal. Cuando los protones y neutrones de su interior se reorganizan, pasa a un estado especial de larga duración: isómero nuclear. En él se almacena energía, como un muelle comprimido al límite.

La transferencia de energía en la fotosíntesis se parece a un tobogán: se hunde bajo el peso de uno, cambiando el camino para el siguiente. Así sucede en la hoja: el estado excitado de una molécula reconfigura instantáneamente el «paisaje» de las vecinas. Los físicos reproducen este efecto con iones suspendidos en una cámara trampa al vacío.

Un largo hilo de cuentas se acomoda en una cajita diminuta: unas cuentas se aprietan entre sí, otras se separan. Ese es el problema que resuelve una proteína cuando se pliega en una molécula funcional. Solo que las cuentas —los aminoácidos— pueden ser cientos, y cada contacto entre ellas altera toda la estructura.

Las partículas cuánticas pueden atravesar obstáculos, como una pelota que de repente aparece dentro de una colina y sale por el otro lado. Este efecto túnel fue explicado por George Gamow al descifrar cómo las partículas abandonan el núcleo atómico.

Diminutas islas de semiconductor, cultivadas directamente sobre silicio, disparan fotones individuales, como una ametralladora que expulsa estrictamente una bala a la vez. Estas islas se denominan puntos cuánticos. Son capaces de emitir luz en paquetes, lo que se necesita para proteger la información en redes cuánticas.

La luz puede usarse como mensajera que transporta mensajes secretos. Pero para que el mensajero no pierda ni una letra, hay que recibirla y verificarla muy rápido. El nuevo chip de película delgada de niobato de litio es como un torniquete que se abre y se cierra en fracciones de milmillonésima de segundo, dejando pasar los pulsos de luz en el momento adecuado.

En una trampa de campos, los científicos ensamblaron un cristal — 150 iones a temperatura ultrabaja. Cada ion se comporta como un diminuto imán, capaz de girar en cualquier dirección. Controlando fuerzas que dependen de este espín, los físicos hicieron que todos los pequeños imanes se arremolinaran en un remolino común, llamado skyrmion.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe entrar en su momento exacto. Antes, para tocar una pieza compleja, había que reacomodar constantemente los instrumentos, lo cual era lento y ruidoso. El nuevo esquema, llamado «arquitectura de paridad», mantiene a todos en su lugar y el director simplemente cambia las notas.

Dos puntos cuánticos son como dos diminutos bolsillos en un trozo de silicio, donde un electrón puede sentarse como una canica en un hoyo. Cuando los bolsillos están lejos uno del otro, cada electrón vive por su cuenta y su energía se asemeja a los niveles de un átomo aislado.

Una computadora cuántica es un instrumento caprichoso. Cada medición de su estado es como fotografiar un objeto en movimiento rápido: cuanto más corta sea la exposición, más probabilidades hay de obtener una imagen borrosa. Pero si luego se procesan hábilmente una serie de esas instantáneas, se puede reconstruir una imagen nítida. Eso es exactamente lo que hicieron los investigadores.

Fotografiar un átomo es como retratar a una mariposa asustada sin ahuyentarla. Los científicos usan dos haces alternos: uno sostiene, el otro enfría, como una suave brisa. Esto reduce la entropía (el temblor del átomo) y los enfría hasta millonésimas de grado sobre el cero absoluto: más frío que el espacio exterior.

Un punto cuántico es como una pequeña isla donde pueden instalarse uno o varios electrones. En este nuevo trabajo, esa isla se conectó a dos 'mares' de electrones: uno plano como una tortita y otro tridimensional como un océano. Los electrones pueden saltar de la isla a los mares y viceversa, y ese salto depende de la forma de la onda del electrón en la isla.

En el ping-pong, dos paletas conectadas por un hilo invisible sienten los movimientos de la otra, adivinando la trayectoria de la pelota. Los investigadores dotaron a la computadora con algo parecido a ese hilo: el entrelazamiento cuántico.

Una computadora cuántica de iones se parece a una lámpara de araña con una docena de colgantes: si tiras de uno, todos se balancean. Cada ion es un qubit, pero cuando hay muchos, sus oscilaciones conjuntas saturan el escenario. Cualquier acción sobre un par afecta a los vecinos y el cálculo se echa a perder. Los autores encontraron la manera de empujar los iones de lado, no de frente.

En el microcosmos siempre hay ruido. Incluso en el vacío absoluto algo tiembla, y estas fluctuaciones cuánticas interfieren con las mediciones precisas. Pero el ruido se puede «comprimir», como un globo inflable: si lo aprietas por los lados, un lado se adelgaza mientras el otro se hincha.

Un buen cocinero prueba la sopa y añade una pizca de sal. Una balanza normal no notaría esa pizca, pero una sensible sí. En el mundo cuántico, el papel de esas balanzas lo desempeñan pares de partículas entrelazadas. Antes se pensaba que la conexión debía ser la más fuerte posible; de lo contrario, la precisión no mejoraría.