manipulación de espín individual

Sintonizar una radio para captar una estación que cambia de frecuencia al cruzar la frontera entre fases: así puede imaginarse el reto que tenían los investigadores. En el metal YbRh2Si2, los electrones se comportan como partículas "pesadas": su masa efectiva es cientos de veces mayor que la del electrón libre.

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 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.

El cristal PbCuTe₂O₆ se asemeja a una telaraña tridimensional de cobre, telurio y oxígeno. En su interior, los momentos magnéticos (pequeñas flechas asociadas a los espines de los electrones) están entrelazados de tal manera que no pueden alinearse en un orden convencional ni siquiera cerca del cero absoluto.

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.

Una molécula polar se parece a una pesa diminuta con cargas distintas en sus extremos. Normalmente, estas partículas se pegan o se separan rápidamente al encontrarse: las fuerzas eléctricas son demasiado fuertes. Pero los autores del trabajo encontraron la manera de convertir esa agresividad en un juego controlable.

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

Las cadenas cuánticas de espín recuerdan a una fila de personas que se pasan un apretón de manos secreto: cada uno se gira hacia el vecino, y la forma en que la onda recorre toda la cadena depende de cuán fuerte se estrechan las palmas.

Algunos materiales están estructurados internamente como una cinta de Möbius: sus estados electrónicos están retorcidos de una manera especial. Estas propiedades topológicas suelen intentar modificarse con un campo magnético potente, como si se intentara alisar la cinta con un mazo. Un grupo de investigadores ha encontrado una herramienta más sutil.

Una hoja de papel cuadriculada, una con rombos y otra con panales: tres universos distintos para una hormiga. Cambia la hoja y cambian las reglas del movimiento. Algo así sienten los electrones en una red cristalina: la geometría dicta si serán imanes, superconductores u otra cosa. En los materiales comunes, la red es rígida, como grabada.

Un diminuto cristal de átomos cargados, atrapado en una trampa, tiembla por el calor. Cada ion oscila como una bolita en un resorte, y estas oscilaciones impiden utilizar el cristal para operaciones cuánticas precisas. Normalmente, el exceso de energía se elimina con un láser: el haz golpea los iones y frena su movimiento, como una corriente de aire que amortigua un péndulo.

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?

Un diminuto defecto en un cristal de nitruro de boro se comporta como una lamparita indicadora. Al iluminarlo, brilla y el tono de esa luz depende de la temperatura: cuanto más calor, más rojo. Al mismo tiempo, si se irradia el defecto con microondas, su brillo comienza a parpadear al ritmo del campo magnético externo.

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 de los átomos y las partículas, todo tiende al reposo: las partículas pierden energía, como un columpio se amortigua por la pérdida de energía (es decir, la fricción). Pero muchos dispositivos —desde los máseres de hidrógeno hasta los relojes atómicos— viven gracias a ciclos repetitivos.

Un imán ordinario se parece a una brújula: la aguja apunta al norte. Pero una brújula cuántica puede mirar en ambas direcciones a la vez. Si un imán que flota en el vacío se hace girar con cuidado, sus 'trompos' electrónicos se sincronizan de tal modo que todo el trozo de metal empieza a vivir bajo las leyes del micromundo: se congela en una superposición, como un indicador…

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 orquesta en la que cada músico toca su parte sin escuchar a los demás. De repente, sin una orden visible, los vecinos de atril empiezan a sincronizarse a la perfección, pero aún no hay una melodía común. Algo parecido ocurre en algunos materiales al enfriarse: los electrones pierden energía, como si se prepararan para la superconductividad, pero nunca llegan a ella.

Cada partícula cuántica tiene espín — una propiedad magnética interna, como una diminuta flecha. En el experimento, un haz de tales partículas, al pasar por un imán, se divide en dos partes — como una moneda que sale cara o cruz. Así se comportan partículas como el átomo de hidrógeno.

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.

Un peine pasado por el cabello atrae trocitos de papel. Este sencillo truco de física se ha decidido aplicar a nivel microscópico para controlar los vórtices magnéticos llamados skyrmiones.

El conductor gira el volante para que el coche doble. En el mundo cuántico también hay "volantes": parámetros externos que se cambian suavemente para trasladar partículas de un lugar a otro.

Bajo la luz solar, las moléculas de la bacteria, como las varillas de una batidora de cocina, capturan energía y hacen girar los electrones en la dirección adecuada. Pero a veces el giro se descontrola y aparecen partículas tripletes «atascadas». Es como si la varilla se detuviera un instante y girara en sentido contrario, salpicando algo caliente y quemando las paredes.

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.

Un espectrómetro de neutrones se parece a un geólogo ciego que golpea la roca y adivina por el sonido lo que hay dentro. Envía un haz de neutrones a un cristal y observa cómo se dispersan. Con ese patrón se puede saber cómo vibran los pequeños imanes atómicos: los espines. Pero dónde cavar exactamente y cuánto tiempo escuchar, antes lo decidía una persona.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe tocar su parte a la perfección, o la melodía se desmorona. Antes, controlar los cúbits —los "músicos" cuánticos— requería una sala llena de equipos, y cada cable extra añadía ruido.

Una multitud de personas de repente empieza a moverse como una sola persona. En física, esto ocurre con los espines atómicos: diminutas agujas magnéticas. Cuando muchos espines se juntan y se comunican a través de un medio común, forman un gran imán, o macroespín.

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»).

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.

En el acelerador de Fermilab, un haz de partículas golpea un blanco de amoníaco congelado. Los núcleos de hidrógeno en su interior son como pequeñas peonzas, y los físicos necesitan que todas giren en la misma dirección. Entonces las colisiones revelarán cómo está hecho el espín del protón.

Un diminuto imán, formado por apenas dos moléculas, se posó sobre una superficie metálica y se comportó como un director de orquesta caprichoso. Normalmente, los electrones en un metal se mueven de manera coordinada, como una multitud en una escalera mecánica. Pero con un enfriamiento intenso, ese orden se rompe y el movimiento se vuelve impredecible.

Un trompo que gira sobre una superficie perfecta se cae ante la más mínima vibración. Así le ocurre al bit cuántico, creado a partir de un defecto en el diamante: su estado lo destruyen el desorden magnético de las impurezas y las perturbaciones externas.

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.

El mundo cuántico ama el orden, pero la realidad a menudo introduce desorden. En este trabajo, los físicos estudian cadenas unidimensionales de espines: pequeñas flechas magnéticas que pueden apuntar hacia arriba o hacia abajo.

El magnetómetro cuántico basado en núcleos de hidrógeno funciona como auriculares con cancelación activa de ruido. Escucha el campo alternativamente de dos formas distintas: el ruido es igual en ambas, pero la señal útil es diferente. Al restar una de la otra, el dispositivo aísla la señal, reduciendo las interferencias más de 1000 veces.

Los átomos magnéticos en un sólido se parecen a las agujas de una brújula: normalmente, al enfriarse, se alinean en una misma dirección, y así surge el magnetismo. Pero en el material TbInO3, las agujas de terbio se asientan en una red triangular donde es imposible complacer a todos los vecinos a la vez.

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.