Avance en los qubit podría transformar computación cuántica

Los bits son las partículas elementales de la era digital. Su existencia, estructural en los ordenadores clásicos y dispositivos digitales –como el que muy probablemente esté utilizando en este instante– se basa, numéricamente, en unos y ceros, mientras que en los chips de ordenador se convierten en algo físico gracias a unos interruptores en miniatura llamados transistores que se activan o se desactivan. 

El código informático combina los bits físicos y numéricos en bloques lógicos básicos, como "sí" o "no" y "si" o "entonces". Cuando estos se encadenan miles de millones de bits, se obtiene básicamente todo los que conocemos: desde hojas de cálculo, fotos familiares, tuits, música, hasta inteligencia artificial. 

Bits cuánticos, o qubit

No obstante, la ciencia quiere apuntar más alto, más allá de 1 y el 0. Por este motivo, está surgiendo una nueva unidad de información fundamental, los bits cuánticos, o qubit (cúbit), que pueden existir en un estado simultáneo de 0 y 1, como el famoso experimento mental de Schrödinger en el que un gato puede estar vivo y muerto a la vez. 

Esta capacidad cuántica promete ser un salto exponencial en la potencia de cálculo, con lo que se podría resolver problemas inmensamente complejos que los superordenadores clásicos no pueden.

Bloque de construcción ideal para un ordenador cuántico

En la actualidad ya tenemos una especie de ordenadores cuánticos, pero por el momento no son lo suficientemente prácticos, fiables o a gran escala como para aprovechar todo el potencial de la tecnología. 

Para acercarse a ese objetivo final, un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), en colaboración con el profesor asociado de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad A&M de y Universidad del Estado de Florida, Wei Guo, está trabajando en lo que dicen que podría ser el bloque de construcción ideal para un ordenador cuántico.

"Los ordenadores cuánticos podrían ser una herramienta revolucionaria para realizar cálculos que son prácticamente imposibles para los ordenadores clásicos, pero aún queda trabajo por hacer para que se conviertan en realidad", dijo Guo, coautor del artículo, en un comunicado.

"Con esta investigación, pensamos que tenemos un avance que recorre un largo camino hacia la fabricación de qubits que ayuden a hacer realidad el potencial de esta tecnología", agrega.

¿Cerca del qubit ideal?

Aunque hay muchas opciones de tipos de qubit, la visión esbozada por los científicos para construir un qubit es potencialmente la que más se acerca a un qubit ideal, aunque aún le queda camino por recorrer antes de ser una realidad.

La nueva plataforma consta de un solo electrón atrapado en la parte superior de un gas de neón congelado. El electrón puede manipularse mediante un circuito cuántico superconductor.

"Gracias a la relativa sencillez de la plataforma electrón sobre neón, debería prestarse a una fabricación fácil y de bajo coste", afirma, por su parte, en un comunicado el físico cuántico Dafei Jin, del Laboratorio Nacional de Argonne (Illinois). "Parece que un qubit ideal puede estar en el horizonte", agrega.

Criterios clave establecidos por los científicos: "tiempo de coherencia"

Una cualidad importante que necesitan los qubits es su capacidad para permanecer en un estado simultáneo de 0 o 1 durante un largo tiempo, conocido como su "tiempo de coherencia". En computación cuántica, un tiempo largo es alrededor de un segundo.

Por ello, el equipo decidió atrapar un electrón en una superficie de neón sólido ultrapuro en el vacío muy resistente a las interferencias. El neón es uno de los seis únicos elementos inertes, lo que significa que no reacciona con otros elementos.

"Debido a esta inercia, el neón sólido puede servir como el sólido más limpio posible en el vacío para alojar y proteger cualquier qubits de ser interrumpido", dijo Jin.

Rápido cambio de estado y capacidad de enredarse

Además del tiempo de coherencia, entres los criterios principales establecidos por los científicos está que los qubits tienen cambiar de estado en un nanosegundo, así como poder enredarse con otros qubits a escala –estas operaciones paralelas de qubits múltiples son las que desbloquearán la potencia y el potencial de la computación cuántica completa–.

Otra parte clave del nuevo qubit es el resonador superconductor a escala de chip –como un horno de microondas en miniatura– que se encuentra debajo del qubit, con el cual el equipo pudo manipular los electrones atrapados, lo que les permitió leer y almacenar información del qubit, haciéndolo así útil para su uso en futuros ordenadores cuánticos. 

"Con esta plataforma hemos conseguido, por primera vez, un fuerte acoplamiento entre un solo electrón en un entorno cercano al vacío y un solo fotón de microondas en el resonador", afirma Xianjing Zhou, del Laboratorio Nacional de Argonne.

"Esto abre la posibilidad de utilizar fotones de microondas para controlar cada qubit de electrón y enlazar muchos de ellos en un procesador cuántico", añade.

Esta no es la primera vez que los científicos intentan convertir los electrones en qubits. Según el comunicado de prensa, investigaciones anteriores utilizaban helio líquido como medio para retener los electrones. Este material era fácil de fabricar sin defectos, pero las vibraciones de la superficie sin líquido podían perturbar fácilmente el estado de los electrones y, por tanto, comprometer el rendimiento del qubit.

Neón sólido, un lugar muy estable para un qubit de electrones

El neón sólido, en cambio, ofrece un material con pocos defectos que no vibra como el helio líquido. Tras construir su plataforma, según el comunicado, el equipo realizó operaciones de qubit en tiempo real utilizando fotones de microondas sobre un electrón atrapado y caracterizó sus propiedades cuánticas. 

Estas pruebas demostraron que el neón sólido proporcionaba un entorno robusto para el electrón con muy poco ruido eléctrico que lo perturbara. Y lo que es más importante, el qubit alcanzó tiempos de coherencia en el estado cuántico competitivos con otros qubits de última generación.

La carrera cuántica no está en absoluto resuelta

A pesar de la simplicidad del sistema, que se presta a una fabricación de bajo coste, y que el qubit, en términos de coherencia, ya rinde al mismo nivel que otras alternativas que llevan décadas desarrollándose, su ampliación es incierta; todavía no estamos en la fase de poder meter qubits como estos en los ordenadores portátiles.

Aun así, los científicos dicen que solo han empezado a perfeccionar la plataforma, que, por cierto, se enfrenta a grandes empresas, con grandes recursos, como Google, Microsoft e IBM, los cuales también están impulsando sus propios diseños de qubits.

Pero los investigadores no se intimidan: el equipo detrás de la nueva tecnología cree que la solución que han ideado podría ser la más prometedora hasta ahora.

"Nuestro ambicioso objetivo no es competir con esas empresas, sino descubrir y construir un sistema de qubits fundamentalmente nuevo que podría dar lugar a una plataforma ideal", afirma Jin.

Editado por Felipe Espinosa Wang.