qubit superconductor

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.

Una diminuta cápsula, parecida a una burbuja de jabón pero con una cubierta de cristales luminosos, se comporta como un láser. Mientras su pared está intacta, la luz viaja en círculo, se amplifica y sale en un haz estrecho y brillante. En cuanto la pared revienta, el haz se convierte en una mancha tenue.

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 película de plástico del grosor de un cabello, y en su interior, puntos de platino de menos de una millonésima de milímetro. Estos puntos se sitúan en la frontera entre dos capas del transistor y atrapan la carga eléctrica como una esponja atrapa el agua. Cuando la carga se acumula, el transistor cambia su resistencia y recuerda ese estado.

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 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 destello corto de luz se parece a una frase musical: se pueden distinguir notas individuales si se escucha con mucha atención. Pero en el mundo cuántico, esas "notas" —los modos temporales— están comprimidas a picosegundos, y la óptica convencional apenas las distingue.

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.

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.

El recocedor cuántico se parece a un horno inteligente: busca el punto más bajo en el paisaje energético para encontrar la respuesta. Pero muchos problemas con restricciones, como "elegir exactamente tres objetos", no se pueden cargar directamente en ese horno. Hay que traducirlos al lenguaje de fórmulas cuadráticas sin restricciones, y normalmente se hace con multas.

En la termodinámica clásica, las máquinas térmicas son como un músico virtuoso en el escenario: cuanto más cerca de la perfección en la ejecución (eficiencia de Carnot), más lento es el tempo (potencia).

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.

Hace tiempo, Richard Feynman vio en los sistemas cuánticos un desafío para los ordenadores clásicos. Ahora nos enfrentamos a la tarea inversa: entender qué es exactamente lo que ha simulado un procesador cuántico. Entre los estados que genera hay auténticas «cajas negras»: las fases topológicas de la materia.

Los datos en internet viajan a la velocidad de la luz a través de fibra óptica. En las redes clásicas los retrasos no son críticos, pero para la comunicación cuántica se necesita una sincronización perfecta: las partículas de luz con la información codificada deben coincidir en el detector en un mismo…

Calibrar un procesador cuántico es una tarea monótona: hay que calibrar cada cúbit —la celda cuántica— como un relojero ajusta docenas de engranajes. El ser humano se cansa y comete errores.

Entrenar una gran red neuronal en cientos de máquinas es como cocinar una sopa con decenas de chefs: cada uno prueba y comunica sus ajustes a los demás. En el aprendizaje automático moderno, estas «negociaciones» consumen tiempo y ancho de banda, y son vulnerables a las escuchas.

Los electrones en un conductor son como una multitud caótica: al chocar, pierden energía y surge la resistencia. En un superconductor, en cambio, se mueven de manera coordinada, como parejas en un baile sincronizado, sin rozarse. Este estado tiene una entropía reducida, es decir, menos desorden. Este comportamiento es raro en el oro y el cobre.

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.

En un superconductor, los electrones se agrupan en pares, como bailarines que se toman de las manos. Normalmente, la distancia entre ellos —el tamaño del par— depende de la rapidez con la que se mueven y de la fuerza de su unión. Pero a veces la pista de baile casi desaparece y no hay lugar para moverse.

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.

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.

Imagina una fila de fichas de dominó: al caer la primera, empuja a la siguiente y una onda recorre la cadena. La frontera entre las fichas caídas y las que siguen en pie es una imagen exacta de una pared magnética. En películas magnéticas microscópicas, estas paredes separan zonas con diferente magnetización.

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.

Un procesador cuántico se parece a un cruce muy transitado: cuantos más coches, más difícil es que se crucen sin accidentes. En el mundo cuántico, el papel de los coches lo juegan los qubits —los portadores elementales de información que, a diferencia de los bits clásicos, pueden ser 0 y 1 a la vez.

Los qubits en una computadora cuántica superconductora son como cuerdas muy tensas. Cuando una partícula del espacio o de la desintegración de un elemento radiactivo pasa volando, golpea esas cuerdas y estas comienzan a vibrar. Esa vibración rompe los frágiles estados cuánticos y los cálculos se descarrilan.

El juez entra en la sala, pero no mira las pruebas: dicta sentencia de inmediato. Así funciona el nuevo sensor cuántico: no mide la señal, sino que decide directamente a qué clase pertenece. En la detección cuántica ordinaria, todo es como en una investigación: primero se recogen pruebas (se mide la señal) y luego se analizan.

Un superconductor es un material por el que la corriente fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero para que la tubería sea perfecta, hay que enfriarla a una temperatura muy baja.

Un chip cuántico se parece a un pastel de capas: metal superconductor, una capa fina de aislante, y otra vez metal. Antes, las capas se depositaban a través de una máscara de polímero, como una plantilla para pintar. El polímero dejaba gotitas invisibles en la superficie que estropeaban la superconductividad y ensuciaban el proceso. Ahora se ha eliminado la máscara.

En un ordenador cuántico, un cúbit se parece a un funambulista: cualquier soplo de viento y pierde el equilibrio. Los errores se acumulan y el cálculo se desmorona. Normalmente se corrigen comparando cúbits vecinos, pero eso es como pedirle al funambulista que mire a los lados: movimientos innecesarios y riesgo.

Un alambre fino del nuevo material conduce electricidad sin pérdidas si se enfría a tres grados por encima del cero absoluto. Es como agua que fluye por una tubería sin encontrar fricción en las paredes. El material se llama PtPb3Bi y su peculiaridad es su estructura interna, similar a un haz de hilos: los electrones corren libremente a lo largo del hilo, pero saltan con dificultad entre hilos.

Un láser común es un amplificador de luz en el que los átomos, tras recibir energía, emiten de forma coordinada ondas de una misma frecuencia. El máser hace lo mismo, pero con microondas, esa radiación invisible que calienta la comida en el microondas y transmite señales en los teléfonos.

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.

Un sensor moderno en un hospital se parece a un micrófono sensible en una sala ruidosa. Capta la débil señal del corazón o del cerebro, pero junto con ella, el zumbido de los aparatos, los pasos, la respiración de los vecinos. Separar el sonido deseado de las interferencias es toda una ciencia.

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 las baterías cuánticas, la carga se puede acelerar si se mezclan los pasos en el tiempo, como una baraja de cartas. En lugar de un crecimiento suave de la energía, se producen explosiones repentinas de eficiencia, como microscópicas supernovas dentro de los átomos.

El ADN es un largo collar de carbono formado por cuatro tipos de cuentas. Los biólogos a menudo necesitan comparar dos cadenas para encontrar diferencias. Normalmente esto requiere un largo proceso de comparación. Los investigadores idearon un truco ingenioso: codificar cada cuenta como una flecha que gira según sus vecinos.

La luz que viaja hacia nosotros durante casi 14 mil millones de años es como una fotografía antigua cuyos detalles emergen con un revelado cuidadoso. La radiación cósmica de fondo (resplandor posterior del Big Bang) guarda la huella de los primeros instantes del universo, pero su señal es débil y distorsionada.

Un cubito de hielo en el té se derrite sin dejar rastro. Así, los sistemas cuánticos normalmente olvidan rápido su pasado. Pero con un desorden fuerte aparece la localización de muchos cuerpos: las partículas como que se congelan, preservando la memoria. El experimento en un procesador IBM de 144 cúbits duró 5000 ciclos.

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.