qubits semiconductores

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.

Una fina capa de arseniuro de indio está escondida bajo una película superconductora, como una voz bajo el ruido de la multitud. En este híbrido, la corriente elige el camino de menor resistencia y casi toda fluye por el metal, por lo que el semiconductor permanece inaudible para los instrumentos convencionales.

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.

En una habitación tranquila, sin un solo imán, dos electrones en una trampa de silicio siguen sintiendo un leve temblor. Lo crean los núcleos de los átomos de silicio y germanio, que giran caóticamente como las agujas de brújulas rotas. Antes se consideraba ese temblor una molestia, pero ahora se ha convertido en un instrumento de medición.

Una escalera cuyos travesaños son imanes diminutos. Si los imanes vecinos apuntan en direcciones opuestas, la escalera está «tranquila». Pero si se les obliga a apuntar en la misma dirección, toda la estructura se magnetiza y se vuelve «testaruda». Los científicos construyeron esta escalera con átomos de germanio, un semiconductor con el que se fabrican transistores.

Un ordenador cuántico no es solo un conjunto de cúbits, sino toda una ciudad donde cada habitante es uno de los posibles estados de la máquina completa. Los habitantes se conocen entre sí a través de las interacciones débiles entre los cúbits: si un estado puede transformarse en otro, se establece un hilo de conocimiento entre ellos.

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.

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 fina hebra de plata, casi tan larga como el grosor de un cabello, y en ella habitan leyes cuánticas puras. Los físicos construyeron un conductor donde los electrones solo pueden moverse hacia adelante o hacia atrás, como en una carretera perfectamente recta de un solo carril y sin arcenes.

A bajas temperaturas, muchos materiales se vuelven superconductores: la corriente fluye sin resistencia. Pero, ¿cómo ocurre exactamente si los electrones estaban primero atrapados en un aislante? Hace medio siglo, Philip Anderson sugirió que la respuesta reside en una danza cuántica especial de las partículas.

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.

Un cable cuántico se parece a una autopista de alta velocidad por la que los electrones circulan en un flujo denso. Cada uno tiene su propia rotación, el espín, y hasta ahora se creía que separar ese flujo en dos carriles, uno para la rotación 'izquierda' y otro para la 'derecha', sin perder el orden cuántico, era casi imposible.

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.

Los materiales orgánicos emisores de luz se parecen a un cruce concurrido sin semáforo. Las moléculas reciben energía, pero en lugar de devolverla honestamente en forma de luz, a menudo se desvían hacia callejones sin salida: forman pares oscuros (exciplexos, complejos de corta vida sin emisión) o chocan entre sí, perdiendo carga.

Durante mucho tiempo, identificar fases cuánticas era como interrogar a un testigo: había que acceder a cada rincón del sistema para arrancarle su secreto. En la época de Landau, el orden se asociaba con la ruptura de simetría y un parámetro local, todo a la vista.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico debe entrar exactamente en la nota. Si uno desafina, la melodía se estropea. Los músicos son los cúbits, que almacenan información.

Los cúbits superconductores son el corazón palpitante de las computadoras cuánticas, pero su ritmo se ve perturbado por la decoherencia: la cuanticidad se disuelve en el ruido.

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

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.

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.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta, donde cada músico —un cubit— debe tocar su parte con precisión y a tiempo. Normalmente, los músicos se sientan en lugares fijos y se conectan mediante atriles y cables. Pero, ¿y si se les permitiera moverse libremente por el escenario y el movimiento mismo se convirtiera en parte de la música?

Dos péndulos cuelgan de la misma barra. Un empujón y comienzan a oscilar, acercándose y alejándose del ritmo. En un qubit topológico, el papel de esos péndulos lo desempeñan las partículas de Majorana — excitaciones especiales capaces de almacenar información cuántica.

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.

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 se parece a una orquesta: cada músico lleva su parte, pero el más mínimo ruido en la sala puede descomponer al conjunto. Las partículas que almacenan información pierden fácilmente la cohesión por golpes térmicos o campos magnéticos errantes.

Un superconductor conduce la corriente sin resistencia, como agua que fluye por una tubería sin fricción. El secreto está en los pares de electrones: dos electrones se unen como una sola entidad, aunque normalmente se repelen. En un superconductor ordinario, los espines de los electrones en un par apuntan en direcciones opuestas: es el estado singlete.

El átomo es como un director, y la luz en el resonador, una orquesta. El intercambio de energía entre ellos, conocido como interacción Jaynes-Cummings (parte del Modelo Estándar), permite que el átomo, con movimientos de 'batuta', cambie el ritmo y el timbre de las oscilaciones.

Las baterías comunes pierden carga, como se enfría el té. La batería cuántica funciona de otra manera: su corazón es una diminuta cavidad con fotones que se mueven frenéticamente. Si se la irradia con pares especiales de fotones, la energía fluye a una cadena de celdas-cúbits instantáneamente — como un columpio que se acelera con empujones fuertes.

Las computadoras cuánticas en la nube se parecen a una oficina de correos: envías una carta y alguien más lee la dirección y el contenido. En los cálculos ordinarios, el servidor ve tus datos y el algoritmo. Pero los cálculos cuánticos a ciegas son un sobre que no se puede abrir: el servidor hace el trabajo, pero no sabe qué está haciendo exactamente.

Las redes cuánticas necesitan un intermediario entre el almacenamiento — el espín — y el portador — la luz. Ninguna molécula individual había logrado esa tarea. Pero ahora los físicos han encontrado una solución. Colocaron una molécula de carbeno en un cristal y lo enfriaron a -269 °C.

Antes de montar un enorme rompecabezas, hay que fabricar las piezas; de lo contrario, la imagen no se completa. En los ordenadores cuánticos basados en fusión, el papel de esas piezas lo desempeñan diminutos cúmulos de luz: los estados de recurso fotónico. Se hacen colisionar y se miden para ir tejiendo gradualmente el tejido computacional.

Recordar un número de teléfono mientras a tu alrededor gritan y dan portazos es casi imposible. Así vive un bit cuántico —un qubit— en un material ordinario: los núcleos de los átomos vecinos, como pequeños imanes, no dejan de tirar de él y borran la información. Para que el qubit no olvide, hay que encontrarle un lugar tranquilo. Ese refugio resultó ser el óxido de cerio, un polvo parecido a la arcilla blanca.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico toca su parte, pero basta con que uno desafine para que la melodía se desmorone. Los errores surgen constantemente: por el temblor térmico, por la imperfección de los instrumentos. Para que la sinfonía no se apague, se necesita un "director" que detecte las notas falsas y las corrija sobre la marcha.

Una radio capta la transmisión entre crujidos y silbidos. Así funcionan hoy las computadoras cuánticas: la señal útil se ahoga en el ruido. Cuanto más dura el cálculo, más distorsionan el resultado las interferencias.

Un puente de aluminio de unas pocas capas atómicas de espesor es el corazón de muchos dispositivos cuánticos. A través de este puente, la corriente fluye sin resistencia y se puede controlar con un campo magnético.

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.

Dos músicos en habitaciones diferentes tocan la misma nota. El sonido debe ser tan idéntico que el oyente no pueda distinguir quién toca. En el mundo cuántico, el papel de esos músicos lo desempeñan las fuentes de fotones individuales: partículas de luz que deben ser indistinguibles entre sí.

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.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta donde cada músico es un espín de electrón, su diminuto momento magnético. Para que la orquesta toque en armonía, el director debe oír a cada músico por separado.

Cuando pulsas el interruptor, la luz no se enciende de inmediato: los electrones en los cables necesitan tiempo para 'ponerse en marcha' y moverse juntos. En los metales y semiconductores comunes, la corriente gana fuerza gradualmente, como el agua en una manguera cuando acabas de abrir el grifo.