qubit de estado sólido

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.

El campo magnético de la Tierra no es constante: tiembla por el viento solar, por tormentas lejanas, por el funcionamiento del metro. Para notar esas vibraciones se necesita un instrumento que no vibre por sí mismo. Los físicos han construido uno con átomos de iterbio enfriados casi hasta el cero absoluto.

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.

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.

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.

En el corazón de una futura computadora cuántica podría encontrarse una diminuta molécula orgánica con forma de triángulo. Tiene dos electrones 'extra' que no encuentran pareja. Estas moléculas se llaman diradicales, y sus electrones pueden almacenar información de una manera especial, cuántica.

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.

En lo profundo de un cristal de diamante, salpicado de centros NV, dormita una sinfonía. Cada defecto es como un diapasón, listo para resonar con una onda acústica que pasa. Pero por separado, sus voces son apenas audibles: la interacción entre el espín y el fonón es más débil que un susurro.

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?

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.

En el diamante, como en cualquier cristal, aparecen defectos —nodos vacíos o átomos extraños. Al capturar un electrón, brillan o se magnetizan, algo muy valioso para los dispositivos cuánticos.

En los dispositivos cuánticos de diamante hay un diminuto defecto: el centro de nitrógeno-vacancia (un átomo de nitrógeno más una vacante en lugar de un átomo de carbono). Funciona como un interruptor que chasquea espontáneamente de un lado a otro: puede llevar un electrón extra o no llevarlo, y de eso depende si brilla o no.

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 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.

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.

La luz en una fibra óptica viaja por el núcleo sin apenas escapar al exterior. Pero si uno se acerca mucho, puede sentir un leve temblor del campo en la superficie: la onda evanescente.

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.

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.

El vapor que se eleva sobre un metal caliente es una vista familiar en la cocina. Pero si en lugar de agua usamos rubidio, esa nube se convierte en una batería. No funciona mediante reacciones químicas, sino gracias a la coordinación cuántica de los átomos.

La luz puede usarse como mensajera que transporta mensajes secretos. Pero para que el mensajero no pierda ni una letra, hay que recibirla y verificarla muy rápido. El nuevo chip de película delgada de niobato de litio es como un torniquete que se abre y se cierra en fracciones de milmillonésima de segundo, dejando pasar los pulsos de luz en el momento adecuado.

En una habitación oscura parpadea una lámpara invisible. Su luz no se parece a la habitual: no tiene un brillo constante, solo ráfagas raras pero potentes. Esto es un vacío comprimido brillante: un estado de la luz en el que no hay una onda ordinaria, pero sí fuertes fluctuaciones cuánticas. Con esa luz, los físicos bombardearon átomos de xenón.

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.

Dentro de una estrella en explosión, los neutrinos se precipitan tan densamente que empiezan a influirse mutuamente. Sus estados cuánticos se entrelazan, como hilos en una madeja apretada donde ya no se distingue cuál es de quién. Las computadoras ordinarias apenas pueden con semejante tarea, pues el número de estados posibles crece de forma avalancha.

En la red cristalina del diamante, de vez en cuando aparecen defectos: un átomo de nitrógeno ocupa un lugar equivocado, y junto a él se abre un vacío. Tal imperfección se convierte en una brújula de diamante ultrasensible: su aguja magnética tiembla al más mínimo campo externo.

Los físicos tomaron 28 peonzas cuánticas — partículas con giro propio — y en una computadora cuántica de Richard Feynman ejecutaron un proceso cíclico predicho por Werner Heisenberg hace casi un siglo. Al principio, cada peonza giraba al azar.

La soldadura convencional no sirve para circuitos cuánticos: al enfriarse hasta la temperatura del helio líquido, el metal se agrieta y los contactos introducen ruido.

Una cuerda trenzada a partir de cien hilos cortos puede estar retorcida hacia la derecha o hacia la izquierda. Cada hilo por separado no sabe hacia dónde está torcida toda la cuerda, pero intenta deshacerla y la diferencia se manifiesta de inmediato.

Un imán de nevera atrae un clip: ese campo lo sentimos con las manos. Ahora reduzca ese campo mil millones de veces. Señales tan débiles son las que emiten los átomos dentro de nuestro cuerpo, y son muy difíciles de captar. Los científicos construyeron un sensor con moléculas especiales que actúan como diminutos imanes.

La luz entra en una diminuta cavidad con paredes espejadas y alcanza un átomo de erbio escondido en un cristal. El átomo absorbe la luz y cambia su núcleo a otro estado, como un interruptor que se acciona con un clic. Pero este interruptor no es común: obedece las leyes del mundo cuántico y puede estar en dos posiciones a la vez.

El silicio es como un bloque de construcción universal: con él se fabrican los chips de los teléfonos, los paneles solares y los láseres. Pero si se comprime con una fuerza enorme, los átomos se reorganizan en nuevos patrones: estas formas se llaman alótropos. Uno de ellos, el Si-XIII, se observó por primera vez hace más de veinte años, pero su patrón exacto seguía siendo un enigma.

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.

Un cristal que por dentro parece una esponja con un laberinto de poros resultó capaz de realizar cálculos. El material, llamado DUT-8, está formado por nodos metálicos y conectores orgánicos que crean una red calada. Bajo la acción de diferentes gases, esta red cambia ligeramente de forma, como un castillo de naipes que se reacomoda con un leve soplo.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta donde cada músico debe tocar en perfecta armonía. Si un solo instrumento desafina, la melodía se desmorona. Los cúbits superconductores actúan como esos músicos, y su 'desafinación' es la pérdida de coherencia cuántica.

Tres átomos de iterbio cargados están dispuestos en triángulo dentro de una trampa electromagnética. Normalmente, todos se comunican entre sí, como tres personas en una misma mesa que no dejan de intercambiar comentarios. Pero si uno de ellos pasa a la habitación contigua, la conversación continúa entre los dos que quedan.

En un cristal de carburo de silicio, parecido a una piedra transparente, se esconden defectos: lugares donde los átomos no están alineados. Uno de estos defectos funciona como un nodo cuántico: el electrón en su interior gira y procesa información, mientras que el núcleo de un átomo vecino la guarda silenciosamente.

En una oblea de silicio, parecida a un barrio residencial, los cúbits —electrones con espín— viven en «casas» separadas. Antes, los vecinos solo se comunicaban a través de la valla, pero ahora han construido una carretera entre ellos: por ella, un cúbit viaja a cualquiera de las cuatro paradas.

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.