operación de qubit individual

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.

El grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, puede cambiar sus propiedades magnéticas como el agua cambia de forma: ora fluye, ora se congela en hielo. En el nuevo trabajo, los físicos han mirado por primera vez dentro de este proceso con un sensor del tamaño de la punta de una aguja.

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.

Una partícula cuántica se mueve en círculo, pasando por varias estaciones. En cada estación, algo le ocurre, por ejemplo, sus propiedades cambian ligeramente. Tras completar el ciclo, la partícula regresa, pero su estado ya no es exactamente el mismo que al principio.

La unión de Josephson es un puente de superconductor separado por una capa aislante muy delgada. A través de ella fluye corriente incluso sin voltaje. Pero cuando la corriente se vuelve demasiado grande, el puente comienza a oscilar y en la gráfica del voltaje aparecen escalones regulares: los escalones de Shapiro.

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.

Un tímpano al borde mismo de una cascada. El sonido aquí se comporta de manera extraña: el eco no se multiplica, sino que se apaga. Así son las ondas gravitacionales en el horizonte de un agujero negro — el límite tras el cual desaparece incluso la luz.

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 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 computación cuántica sufre de «notas falsas» —errores que surgen ante la menor imprecisión. Ahora se eliminan con la meticulosidad de la afinación de un piano de concierto. La idea se remonta a los sueños de los pioneros —David Deutsch y Peter Shor— de operaciones perfectas.

Un agujero negro se parece a una caja fuerte que va soltando poco a poco su contenido —energía e información— a través de un débil resplandor llamado radiación de Hawking. Pero si la caja fuerte se abre demasiado rápido, en su borde puede encenderse una «pared de fuego», una región donde las leyes habituales de la física dejan de funcionar.

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?

Una estrella se contrae bajo su propia gravedad y, en cierto momento, su destino depende de un equilibrio delicadísimo.

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.

Una partícula cuántica, al recorrer un anillo cerrado, deja dos «registros» diferentes en su camino. El primero es como una huella dactilar en la manija de una puerta: permanece inalterada por más que gires la manija, y solo habla de la forma y el material.

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.

Incluso en completo reposo, los átomos emiten un leve ruido: una inevitable vibración cuántica. En el debate entre Einstein y Bohr, este ruido, como un susurro incansable, difumina las franjas de interferencia de una rendija atómica. Superar ese límite se consideraba imposible.

Una fuente de fotones convencional puede compararse con la entrada de una discoteca con un solo portero. Trata de dejar pasar a los visitantes de uno en uno, pero a veces se cuelan parejas. Los físicos llaman a esto el problema de la pureza: los fotones deben ir estrictamente uno tras otro, de lo contrario los cálculos cuánticos fallan.

La gravedad es una red cósmica: los cuerpos masivos la estiran y los objetos ligeros ruedan por sus curvas. Pero en el mundo de los átomos esta red comienza a temblar caóticamente, generando valores infinitos en las ecuaciones. La curvatura del espacio-tiempo deja de ser suave.

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.

Si llevas una taza de café por la habitación de forma lenta y suave, y luego vuelves al mismo lugar, a la bebida no le pasa nada. Pero en el mundo cuántico es diferente: una partícula que completa un círculo similar no regresa exactamente igual. Adquiere un 'extra' esquivo: la fase geométrica, que los físicos llaman fase de Berry.

Un péndulo ordinario oscila con la misma frecuencia con la que se le empuja. Pero en el mundo cuántico se puede crear un sistema que responda al empuje dos, tres o más veces más lento, como si tuviera su propio ritmo. Estos sistemas se denominan cristales de tiempo discretos.

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.

Los detectores modernos de ondas gravitacionales confirman que los agujeros negros son una realidad. El espacio-tiempo se puede comparar con un gigantesco trampolín: las estrellas masivas lo deforman.

El universo primigenio se asemejaba a un globo que se infla rápidamente: se expandía tan deprisa que la luz no podía alcanzar sus propios bordes. Luego, esa frenética aceleración dio paso a una expansión tranquila. Dejaron de inflar el globo y este comenzó a desinflarse lentamente.

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.

Cuatro músicos tocan en armonía solo si se toman de las manos. En el mundo cuántico, esa cadena la forman cuatro electrones en cuatro puntos cuánticos vecinos, pequeñas trampas para la carga. Esta es la base del cubit SAGE (del inglés «intercambio sin brecha siempre activo en singletes»).

El vacío cuántico no es un vacío, sino una cuerda tensa donde las partículas aparecen y desaparecen sin cesar. Un cambio brusco de condiciones —por ejemplo, el desplazamiento de los espejos de un microresonador— hace que la “cuerda” emita fotones reales.

Un conjunto de antenas convencional se parece a un coro: muchas voces cantan al unísono y el sonido se amplifica solo en una dirección. Para captar la señal desde otro lado, hay que reorganizar todo el coro. Ahora imagina que una sola voz pudiera cambiar su timbre de modo que el sonido se concentrara por sí solo en la dirección deseada.

El gran misterio de la física es cómo unir la curvatura del espacio-tiempo y la mecánica cuántica. A la longitud de Planck, miles de millones de veces más pequeña que un átomo, las leyes dejan de funcionar. Este umbral lo descubrió Max Planck.

Dieciocho diminutas celdas se alinean en dos filas sobre un trozo de germanio. Cada celda es un punto cuántico, una trampa para un solo electrón cuyo espín actúa como cúbit. Antes, estos sistemas solo podían ensamblarse de a pocos; aquí, en cambio, tenemos una rejilla completa que funciona como un conjunto unificado.

En lugar de millones de partículas rígidamente fijadas, 10 000 átomos que funcionan como fichas de un ábaco cuántico. Cada ficha puede ser cero y uno simultáneamente. Pero lo crucial: si en el cálculo se cuela un error, los átomos se pueden mover físicamente: como reconfigurar el ábaco sobre la marcha para que el fallo no estropee el resultado.

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.

En la vida cotidiana, el tiempo fluye por sí solo, como un río entre sus orillas. Pero en la teoría cuántica de la gravedad todo es distinto: el tiempo no fluye, sino que surge de las relaciones entre los objetos, como un patrón en una alfombra que solo se ve desde un lugar concreto.

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.

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.

Una computadora cuántica basada en espines de electrones se parece a una fila de diminutas peonzas. Cada peonza gira en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario: eso es un cubit. Para conocer el resultado del cálculo, normalmente se detiene la peonza y se observa hacia dónde ha caído.

Una computadora cuántica en el laboratorio se parece a una orquesta: los láseres hacen el papel de arcos y los iones, de cuerdas. Para tocar la melodía deseada, se envían potentes señales de radio a los láseres, que marcan el ritmo y la altura. Pero parte de esa 'música' sale del escenario.

Una puerta común se puede abrir en ambos sentidos, pero los físicos construyeron para los átomos una en la que está permitido entrar, pero no salir. Enfriaron los átomos casi hasta el cero absoluto: con ese frío extremo, se fusionan en una sola nube. Colocaron esta nube en una red ordenada de rayos láser, añadiendo una pequeña irregularidad, como un escalón en el umbral.

Dos personas leen el mismo libro, pero una primero pasa la página y luego mira el texto, mientras que la otra hace lo contrario. Parecería que el resultado es el mismo. Pero en el mundo cuántico, el orden de las acciones lo cambia todo. En el trabajo se consideran modelos que emiten secuencias de símbolos, como una máquina expendedora de boletos.