qubit transmon

Una carretera no se construye derribando las casas vecinas: primero se extiende el asfalto y luego se pule el exceso, dejando una calzada lisa. Algo parecido han hecho los físicos de Heidelberg al abordar la fabricación de contactos de Josephson, unos diminutos sándwiches de superconductor y aislante por los que la corriente fluye sin resistencia.

Un intérprete en una sala de audiencias debe transmitir cada palabra sin distraerse por el ruido ambiente. En el mundo cuántico, ese intérprete es un resonador superconductor que debe perder fotones siguiendo un horario estricto, sin desviarse por efectos extraños.

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 interferómetro cuántico superconductor es un dispositivo que detecta campos magnéticos miles de millones de veces más débiles que la aguja de una brújula común. En su interior hay un puente estrecho donde la superconductividad se interrumpe por un instante.

Una tubería de agua: cuanto más ancha es, más agua deja pasar. En los contactos superconductores —las uniones de Josephson (puentes por los que la corriente fluye sin resistencia)— suele ocurrir lo mismo: cuanto mejor conduce el material en estado normal, mayor es la corriente superconductora que lo atraviesa.

En una habitación oscura apenas se oye un susurro. Para distinguir las palabras, hay que acercarse mucho — o colocar muchos micrófonos sensibles.

Gota a gota desde un grifo, o un chorro uniforme sin una sola salpicadura. Así se ven aproximadamente los dos regímenes de corriente en un contacto superconductor. Solo que el papel del agua lo desempeñan los pares de Cooper: electrones enlazados que se mueven sin resistencia.

Un resonador vacío no está del todo vacío. Incluso en el vacío absoluto, donde no hay ni un solo fotón, habitan las fluctuaciones cuánticas. Son como el oleaje en un mar en calma: la superficie parece lisa, pero las moléculas no dejan de vibrar. Los físicos han aprendido a convertir esa vibración en ondas reales.

En el mundo cuántico hay una danza propia. Dos toroides superconductores, que sostienen cómodamente cada uno su flujo magnético cuantizado, giran en un vals sincronizado. Entre ellos, el vacío, ni una sola línea de fuerza, pero replican los movimientos del otro sin error.

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.

En el cristal CsV3Sb5-xSnx, que a bajas temperaturas se vuelve superconductor, la corriente no fluye como un flujo continuo, sino por estrechos caminos sinuosos.

Un interruptor que sabe por sí solo hacia dónde fluir. Así funciona un diodo de Josephson: un puente superconductor donde la corriente pasa con facilidad en un sentido y encuentra resistencia en el otro. En el nuevo trabajo, ese puente se fabricó con grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor.

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.

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.

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.

Una fila de personas que se dan la mano pero miran en direcciones opuestas: unas hacia el norte, otras hacia el sur. Así es un imán de onda p. En él, los electrones alinean sus momentos magnéticos (espines) no al azar, sino siguiendo un estricto patrón ondulatorio.

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 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.

Una memoria USB normal en el bolsillo se calienta incluso cuando está simplemente guardada. Ahora imagina una memoria que en el frío casi no gasta nada, como un termo que no se enfría. El superconductor a la temperatura del helio líquido conduce la corriente sin pérdidas, pero no podía almacenar datos. La nueva celda cambia eso.

Un gas superfluido se comporta como un líquido sin fricción. Dos nubes de este gas se conectan mediante un puente estrecho, y a través de él fluye una corriente de partículas. Esto recuerda al efecto Josephson en los superconductores, pero en lugar de electrones, son átomos neutros.

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.

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.

Dos orillas superconductoras están unidas por un puente de material magnético. Dentro del puente hay una pared de dominio: un límite estrecho donde la magnetización se invierte, como una fila de soldados que cambia la dirección del paso.

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.

Un cúbit es como una cuerda que debe quedar inmóvil antes de que comience la melodía. Si vibra, la música arranca con una nota falsa. En las computadoras cuánticas, los cúbits superconductores hacen las veces de esa cuerda. Antes de cada cálculo hay que calmarlos hasta su estado fundamental; de lo contrario, los errores son inevitables.

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 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.

Las computadoras cuánticas y los sensores funcionan a frecuencias de microondas, pero para transmitir sus señales a largas distancias es conveniente usar fibra óptica, donde se utiliza luz.

Dos coches idénticos salen de la misma cadena de montaje. Carrocería, ruedas, volante: todo coincide. Solo que uno lleva un motor de gasolina normal y el otro uno híbrido que se puede ajustar a la carretera. Y el híbrido se cala a los pocos kilómetros, mientras que el de gasolina recorre decenas.

Los circuitos superconductores suelen construirse sobre uniones Josephson, lugares donde la corriente fluye sin resistencia a través de una barrera delgada. Normalmente, esa barrera es una capa de óxido, pero sus propiedades son difíciles de controlar a escala nanométrica.

En un resonador superconductor, la luz no solo se refleja: abraza al qubit con tanta fuerza que su danza conjunta ya no puede describirse con los libros de texto antiguos.

Normalmente, la corriente eléctrica es igual en ambas direcciones, como el agua en una tubería recta. Pero en la frontera entre un metal normal y un superconductor, esta regla se rompe. Dos ondas en el agua, al rodear un obstáculo ancho por lados opuestos, pueden llegar con diferente retraso y encontrarse «desfasadas».

Un cúbit superconductor común se parece a un columpio que cualquier ráfaga de viento hace oscilar. El más mínimo cambio en la carga eléctrica cercana y el estado cuántico ya está arruinado.

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.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe tocar su nota sin desafinarse. Pero los cúbits superconductores tienen un problema común: en sus electrodos se acumulan cargas aleatorias y la «nota» se desvía. Los ingenieros llaman a esto deriva de la compensación de carga y normalmente luchan contra ello durante años.

El cúbit, la unidad de cálculo de un ordenador cuántico, vive fracciones de milisegundo y luego olvida su estado. Una de las causas es un contacto diminuto en su interior: dos capas de aluminio con una capa de óxido de aluminio de un par de nanómetros de espesor entre ellas.

Una fina película de arseniuro de indio sobre un sustrato aislante se comporta como un termo de doble pared: los electrones en su interior apenas ceden calor al cristal circundante. En un metal común, los electrones intercambian rápidamente energía con las vibraciones de los átomos, por lo que su temperatura siempre está cerca de la del material.

El sonido en la superficie de un cristal es como las ondas en el agua, pero que viajan por un sólido. Estas ondas se llaman ondas acústicas superficiales: se mueven cien mil veces más lento que la luz, por lo que pueden comprimirse en segmentos muy cortos y caber en un chip diminuto.

Un sensor de campo magnético ultrapreciso convencional se parece a una balanza que empieza a mentir si le pones un peso demasiado grande. La señal se distorsiona y hay que añadir electrónica compleja para enderezar las lecturas. Esa electrónica introduce ruido y dificulta el funcionamiento rápido.

Un ordenador cuántico es como una orquesta en la que cada músico-cúbit debe tocar su nota sin desafinar. Pero de vez en cuando irrumpe en la sala un transeúnte —una partícula de radiación del espacio— y desentona a los músicos. Estos fallos se denominan ráfagas de errores y dificultan los cálculos.