rubidio

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 puente por el que peatones y ciclistas circulan en el mismo flujo sin estorbarse. Así funcionan, más o menos, los sistemas híbridos de superconductores y semiconductores: unos transportan corriente sin pérdidas y otros controlan esa corriente.

El péndulo de estos relojes no oscila por un resorte o una pesa, sino por un diminuto empujón dentro del núcleo atómico. Los relojes atómicos ordinarios miden el tiempo mediante las oscilaciones de los electrones, pero aquí el péndulo es el propio núcleo: una densa bolita de protones y neutrones.

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.

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.

Los electrones en un sólido normalmente o corren libremente (metal) o están confinados en su lugar (aislante). Pero a veces la fuerte repulsión mutua los encierra en un estado a medias: las cargas se quedan quietas, mientras que los espines —pequeñas agujas magnéticas— siguen viviendo su propia vida. Esto se llama aislante de Mott.

Crear un nodo de una red cuántica es como enseñar a un bailarín a equilibrarse sobre un hilo de carbono suspendido sobre un abismo. Un pie debe despegarse con facilidad, lanzando fotones mensajeros al mundo exterior. El otro debe aferrarse con firmeza a la cuerda, guardando la preciosa información cuántica.

El mundo cuántico está lleno de transformaciones. A veces un sistema formado por unas partículas empieza a comportarse como si hubieran aparecido otras muy distintas.

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.

El péndulo más preciso del mundo no es una barra de acero, sino un diminuto núcleo atómico. El isótopo torio-229 tiene un estado excitado especial: para llevar el núcleo a él se necesita muy poca energía, similar a la de un láser ultravioleta.

Un péndulo que casi nada puede desviar: no le afectan ni las sacudidas, ni el calor, ni los campos magnéticos, porque está escondido en el mismísimo corazón del átomo. Ese es el péndulo que han utilizado los físicos al poner en marcha por primera vez un reloj nuclear. Antes, los mejores relojes, los ópticos, funcionaban con transiciones de electrones.

Los relojes más precisos de hoy miden el tiempo a partir de las oscilaciones de los electrones en los átomos. Pero su marcha puede alterarse, como un resorte de un reloj mecánico se desajusta con los golpes. Los físicos han encontrado un péndulo más fiable: el núcleo atómico.

El bit cuántico (cúbit) es una construcción sumamente delicada. Incluso un leve calor lo destruye, como un empujón accidental derriba una copa de cristal. Para proteger la frágil información, los físicos han creado una estructura cuántica tridimensional que recuerda a una matrioska.

El péndulo oscila con tal precisión que, si hubiera estado contando los segundos desde el Big Bang, hoy se habría desviado solo medio segundo. Esa es la estabilidad del nuevo láser ultravioleta portátil, el corazón de los relojes atómicos de aluminio.

Los pequeños imanes dentro de los átomos —los espines nucleares— pueden "congelarse" durante largos minutos en un cristal frío. Esto dificulta el ajuste rápido de los sensores cuánticos: todo tarda demasiado en alcanzar el estado deseado. Los físicos han encontrado una manera de impulsarlos con luz.

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.

Una orquesta donde cada músico toca su parte y el director intenta captar la melodía general. Así es como los físicos observan los electrones en los cupratos, materiales cerámicos que conducen la corriente sin resistencia a temperaturas superiores a las del nitrógeno líquido.

Una orquesta donde cada músico toca su parte y el director los guía a todos a la vez. En una computadora cuántica de átomos neutros, el papel del director lo desempeña un rayo láser que debe dar en el blanco sin desviarse ni una fracción de segundo.

Una computadora cuántica de átomos neutros se parece a una biblioteca donde los libros no solo hay que leerlos, sino también devolverlos rápido al estante. La lectura lenta del resultado es como un bibliotecario lento que retrasa a toda la cola. Los científicos encontraron una forma de acelerar este proceso añadiendo ayudantes.

Dentro de los superconductores de cobre —materiales que conducen la corriente sin pérdidas a temperaturas sorprendentemente altas— hay una fase oculta. Se comporta como un metal ordinario, pero no es visible en las mediciones estándar.

Una cacerola de aluminio común en la cocina no emite moléculas que se puedan atrapar con luz. Pero si se toma aluminio y una sal de aluminio, y se calientan juntos en un pequeño horno, se obtiene un flujo de moléculas de fluoruro de aluminio, como un chorro de vapor del pico de una tetera, solo que en lugar de gotas de agua vuelan partículas diminutas.

Un columpio triangular nunca se calma: uno de los tres átomos siempre está en el aire. Así es un imán frustrado: una danza eterna sin reposo. Para estudiarlo, los físicos construyeron un simulador cuántico de 256 átomos que reproduce fielmente el cristal TmMgGaO₄.

Un termómetro de cocina común muestra la temperatura a la que el mercurio deja de oponer resistencia a la electricidad. Para los superconductores con los que se fabrican las computadoras cuánticas, la temperatura crítica es como un pasaporte de calidad: cuanto más alta, mejor.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico toca su parte, pero todos deben sonar en armonía. Hasta ahora, la mayoría de los circuitos cuánticos se construían con átomos idénticos, como si la orquesta tuviera solo violines. Ahora, los físicos han logrado que dos elementos distintos trabajen juntos: rubidio y cesio.

En un matraz de vidrio sellado del tamaño de un dedo hierve vapor metálico. El componente principal es cesio, pero en él se esconde un uno por ciento de rubidio. Un haz láser de 795 nanómetros de longitud de onda encuentra esta impureza y la hace brillar.

La molécula de agua se parece a una diminuta mancuerna: dos átomos de hidrógeno se unen a un átomo de oxígeno formando un ángulo. Esa mancuerna no se queda quieta: se estira, se comprime y rota. Cada uno de esos movimientos tiene su propia energía, como los peldaños de una escalera.

El átomo de hidrógeno es como un diminuto reloj que late con una precisión con la que los ingenieros solo pueden soñar. Cuando un electrón salta entre órbitas, absorbe o emite luz de una frecuencia estrictamente definida: ese es su "tictac".

Los relojes atómicos comunes hacen tic-tac cuando un electrón salta entre niveles de energía. Pero los campos externos y los golpes pueden alterar ese ritmo. Los iones altamente cargados —átomos a los que se les han arrancado muchos electrones— apenas notan esas perturbaciones: sus electrones están profundos y firmemente sujetos. Por eso son 'péndulos' ultraestables.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta caprichosa: cada cúbit es un músico que escucha el más mínimo ruido y se desconcierta. Para tocar una compleja sinfonía de cálculos se necesitan cientos de instrumentos afinados al unísono.

Los mensajes comunes son interceptados sin que nadie se dé cuenta. Los físicos idearon una manera de crear un secreto compartido que se rompe instantáneamente al ser observado. En lugar de papel, partículas individuales de luz (partículas).

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.

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 se parece a una orquesta donde los electrones y los núcleos tocan instrumentos diferentes. Normalmente, el director necesita dos batutas: microondas para los electrones y ondas de radio para los núcleos.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta en la que cada músico toca su parte, pero ante cualquier contratiempo se desvía. Los errores en los cúbits ocurren constantemente: unas veces el instrumento se desafina, otras el músico se salta una nota. Normalmente, el director tiene que adivinar quién se ha equivocado, y eso es muy difícil.

Un termómetro que no miente durante años. Los termómetros de resistencia ordinarios, incluso los muy precisos, con el tiempo empiezan a fallar: el material envejece, los contactos se oxidan y las lecturas se desvían.

El dispositivo es del tamaño de un grano de arena: un diminuto espejo parabólico mantiene un solo átomo de rubidio y recoge el brillo que emite bajo el rayo láser. Las partículas de luz capturadas se envían a la fibra óptica; todo el montaje está calibrado y no se desajusta ni con vibraciones.

Los dispositivos cuánticos suelen mantenerse en criostatos, grandes termos donde la temperatura es más baja que en el espacio exterior. Un ion de erbio atrapado en una diminuta trampa sobre un chip de silicio rompe esta tradición.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico toca su parte, pero a veces desafina. Los errores se acumulan y se necesita a alguien que corrija rápido el sonido. En la memoria cuántica, el enfriamiento hace el papel de afinador: elimina los fotones superfluos, partículas de luz que quedan tras los cálculos.

Calienta un reloj de cuarzo común diez grados y empezará a atrasarse segundos por día. Los relojes atómicos son más precisos, pero ocupan un armario entero. Un diamante con un diminuto defecto —la vacancia de nitrógeno— promete la precisión de un reloj atómico en el volumen de un grano de arena.

En el nuevo procesador Helios, 98 iones de bario giran en una ruta cerrada, como caballitos en un carrusel. Esta arquitectura permite que cualquier ion intercambie datos con cualquier otro, haciendo el sistema flexible y potente. Los pulsos láser, como una batuta de director, dan órdenes a la velocidad de la luz.