reducción de ruido en qubits

Una trampa diminuta para cargas individuales, el punto cuántico, es capaz de retener un solo hueco. Pero basta con que la carga en la frontera del material se sacuda para que el hueco atrapado empiece a temblar. Los ingenieros han encontrado la manera de calmar esa carga temblorosa: sustituir una escalera empinada por una rampa suave.

Un intérprete en una sala abarrotada intenta distinguir el discurso de una persona, pero escucha el murmullo de cientos de voces. Una molécula que almacena información cuántica en su espín se encuentra en una situación similar: su espín está rodeado por el temblor térmico de los átomos, y es precisamente ese temblor el que borra gradualmente la memoria.

En 1996, los físicos se preguntaron: ¿cuánto ruido puede soportar un canal cuántico antes de dejar de transmitir información? Una conversación telefónica en la que cada tercera palabra se sustituye por ruido aleatorio aún puede entenderse. ¿Hasta qué nivel de interferencia captará el interlocutor el sentido?

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico —un cúbit— toca su parte, pero de vez en cuando se equivoca. Para que la música no se convierta en cacofonía, se necesita un director que oiga al instante las notas falsas y las corrija.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico-qubit se desvía fácilmente del ritmo. El más mínimo ruido y la melodía del cálculo se convierte en cacofonía. Para que la orquesta toque en armonía, se necesita un director que detecte al instante las notas falsas y las corrija sin detener la interpretación. Ese es exactamente el papel de los códigos de corrección de errores.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico debe tocar su parte sin equivocarse. Los músicos son los cúbits, portadores de información cuántica. Para que la orquesta suene armoniosa, se necesitan cúbits fiables, controlables y no demasiado sensibles al ruido.

Entrenar una gran red neuronal en cientos de máquinas es como cocinar una sopa con decenas de chefs: cada uno prueba y comunica sus ajustes a los demás. En el aprendizaje automático moderno, estas «negociaciones» consumen tiempo y ancho de banda, y son vulnerables a las escuchas.

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.

Un nodo cuántico de memoria es un diminuto diamante con un defecto que puede almacenar y emitir fotones individuales. Pero su luz tiene una longitud de onda de 637 nanómetros: un rojo similar al del rubí que casi se absorbe por completo tras unos pocos metros de fibra óptica estándar.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico toca su parte, pero una sola nota falsa puede arruinar toda la sinfonía. Para evitar esto, se necesita un oyente que capte la desafinación al instante sin estorbar la interpretación.

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.

Un cúbit es como una cuerda que debe quedar inmóvil antes de que comience la melodía. Si vibra, la música arranca con una nota falsa. En las computadoras cuánticas, los cúbits superconductores hacen las veces de esa cuerda. Antes de cada cálculo hay que calmarlos hasta su estado fundamental; de lo contrario, los errores son inevitables.

Una superficie de niobio recién pulida brilla como un espejo. Pero en pocos minutos aparece sobre ella una película opaca de óxido, invisible al ojo. Para un cúbit superconductor, esa película es como arena en un reloj: hace que el estado cuántico se destruya antes de tiempo.

Dentro de cada célula hay una red de finos tubos: los microtúbulos. Funcionan a la vez como andamios y como rieles: mantienen la forma de la célula y transportan cargas. Estos tubos están formados por la proteína tubulina y, de forma natural, brillan débilmente bajo la luz ultravioleta.

Dos péndulos sobre una mesa estable oscilan de forma independiente. Si se colocan sobre una superficie inestable, las vibraciones sincronizan el movimiento. El mismo principio funcionó en un chip de silicio con fotones. Los científicos crearon dos fuentes de luz que emiten pares de partículas.

El recocido cuántico funciona como una búsqueda inteligente de salida en un laberinto: en lugar de recorrer todos los callejones sin salida, usa efectos cuánticos para encontrar la salida más rápido. Pero este laberinto tiene una peculiaridad: los números que describen las paredes y los pasillos deben ser más o menos del mismo tamaño.

Los ordenadores cuánticos prometen resolver problemas que los convencionales no pueden abordar. Pero sus componentes, los bits cuánticos, son muy sensibles. Una variante de estos bits es el circuito oscilante, que puede estar en dos estados, como un péndulo que se balancea a la izquierda o a la derecha. Estos estados son los que almacenan la información.

Un sensor moderno en un hospital se parece a un micrófono sensible en una sala ruidosa. Capta la débil señal del corazón o del cerebro, pero junto con ella, el zumbido de los aparatos, los pasos, la respiración de los vecinos. Separar el sonido deseado de las interferencias es toda una ciencia.

En un cristal se puede generar un sonido de tan alta frecuencia que el oído humano no lo percibe, y hacer que ese sonido corra en círculos, como un tren por una vía circular. Los ingenieros tomaron una fina película de nitruro de silicio, la depositaron sobre un sustrato de niobato de litio y grabaron en ella pistas para ondas sonoras.

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.

Un bit cuántico (cúbit) es como un susurro apenas audible entre el murmullo de voces. Un amplificador común hace el susurro más fuerte, pero junto con él también amplifica el ruido, dificultando entender la esencia. Los físicos crearon un dispositivo ingenioso que genera dos señales-susurro idénticas en frecuencias diferentes: la original y su eco.

El té caliente generalmente se enfría más tiempo que el tibio, pero el agua a veces rompe esta regla: ya en los años 60, el estudiante Erasto Mpemba notó que el helado caliente se congela más rápido que el frío. Esta paradoja migró también al mundo cuántico: un grupo de partículas puede calmarse antes si inicialmente estaba más excitado.

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 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.

Dentro del protón, los quarks se atraen mediante gluones, como si estuvieran unidos por resortes. Si sueltas un quark, el resorte se estira y se rompe, generando un quark nuevo. Así funciona la interacción fuerte, y calcularla en tiempo real con una computadora ordinaria es casi imposible: hay demasiadas posibilidades y todas están entrelazadas.

El universo se expande, y los científicos quieren saber a qué velocidad y de qué está hecho. Para ello comparan datos de explosiones estelares lejanas, ondas sonoras del universo temprano y el débil resplandor que quedó tras el Big Bang. Cada conjunto de datos es como una pieza de un mosaico, y hay que unirlas para obtener el panorama completo.

Una receta de pan escrita con tinta invisible: mientras lees, el original se desvanece. Así se comportan los cúbits: cualquier medición los altera irreversiblemente.

Lanzar una moneda es el generador de aleatoriedad más simple. Pero si la moneda está lastrada, empieza a hacer trampa. En el mundo cuántico, la luz hace el papel de la moneda: sus propiedades son fundamentalmente impredecibles. El problema es que el dispositivo que "lanza" la moneda cuántica puede estar defectuoso o incluso haber sido sustituido por un atacante.

La fibra óptica transmite la luz, pero en el camino esta tiembla y se atenúa. Para que los interlocutores en los dos extremos de la línea obtengan el mismo conjunto de números aleatorios para el cifrado, en el receptor funciona un corrector digital, como un cancelador de ruido en los auriculares que resta el rumor de la calle, pero a veces, junto con él, se come las…

Las computadoras cuánticas prometen describir moléculas con precisión, pero su principal problema es el ruido. Cada cúbit adicional y cada operación extra añaden errores. Químicos y físicos han ideado una forma de calcular moléculas con la mitad de cúbits: el método HSQD.

Una computadora cuántica es una máquina donde, en lugar de bits ordinarios, trabajan los cúbits. Un cúbit puede ser no solo cero o uno, sino ambos a la vez. Una forma de crear un cúbit es tomar un electrón y hacer que flote sobre la superficie de helio líquido.

En el receptor de un telescopio apuntado al resplandor más antiguo del universo se encuentra una diminuta placa termométrica. Es tan sensible que el calor de un solo fotón puede calentarla notablemente. Pero para escuchar ese susurro de calor se necesita un intermediario: un amplificador que no añada su propio ruido.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico toca su parte, pero a veces se equivoca. Para que la música no se convierta en una cacofonía, se necesita un director que corrija los errores a tiempo. En la computación cuántica, el papel del director lo desempeñan códigos especiales de corrección de errores.

El número 551 parece inofensivo, pero encontrar los dos números primos que, multiplicados, dan ese resultado no es tarea fácil. Un ordenador clásico va probando combinaciones, como quien busca una llave en un llavero. Un procesador cuántico actúa de otra manera: prueba todas las opciones a la vez, pero hace falta una forma de guiarlo hacia la respuesta correcta.

Al preparar palomitas, el microondas gasta electricidad solo en calentar los granos. La cocina de gas calienta toda la hornalla y el aire alrededor. La misma diferencia existe entre un chip cuántico fotónico y un supercomputador clásico al resolver el problema ideado por Scott Aaronson.

Un computador cuántico se parece a una orquesta: cada cúbit es un músico y las señales de control son el director. Si el director mueve la batuta con imprecisión, los músicos se descoordinan. En un dispositivo real, las señales pasan por amplificadores de potencia, como si fueran altavoces que añaden ruido y distorsión.

Un sensor cuántico es como una línea telegráfica que transmite un mensaje hipersensible. La más mínima interferencia distorsiona la señal. Antes se creía que para una medición precisa se necesitaba un «telegrafista» sin errores: un sistema ideal de corrección de errores. Pero en la práctica, todos los elementos hacen ruido.

Detectar una señal débil en medio del ruido es como intentar oír una campana lejana en una tormenta. La amplificación común solo hace el estruendo más ensordecedor. La corrección cuántica de errores resuelve el problema de forma inesperada.

La materia oscura es una sustancia invisible, cinco veces más abundante en el universo que la materia ordinaria. Sus partículas apenas tocan los átomos, pero de vez en cuando pueden rozar un electrón, como una cuerda acariciada por el viento.

La creación de sensores ultrasensibles para mediciones de luz y espectroscopía comienza con cámaras diminutas donde la luz resuena como un eco en un pozo. Antes, los ingenieros perseguían el factor de calidad, la duración de ese eco: cuanto más tiempo suena, más notorios son los cambios más pequeños.