La decoherencia es el punto más débil que tienen los prototipos de ordenadores cuánticos actuales. No obstante, antes de indagar en ella nos interesa repasar brevemente qué es el entrelazamiento cuántico. Este fenómeno no tiene un equivalente en la física clásica, y consiste en que el estado de los sistemas cuánticos involucrados, que pueden ser dos o más, es el mismo. Esto significa que estos objetos, en realidad, forman parte de un mismo sistema, incluso aunque estén separados físicamente. De hecho, la distancia no importa.
Si dos partículas, objetos o sistemas están entrelazados mediante este fenómeno cuántico, cuando midamos las propiedades físicas de uno de ellos estaremos condicionando instantáneamente las propiedades físicas del otro sistema con el que está entrelazado. Incluso aunque esté en la otra punta del universo. Por muy extraño y sorprendente que nos parezca este fenómeno se ha comprobado empíricamente. De hecho, es junto a la superposición de estados uno de los principios fundamentales de la computación cuántica.
El talón de Aquiles de los ordenadores cuánticos
Lo prometido es deuda, así que ya estamos preparados para indagar en el concepto de decoherencia cuántica. Este fenómeno se produce cuando desaparecen las condiciones necesarias para que un sistema que se encuentra en un estado cuántico entrelazado se mantenga. Una forma quizá un poco más sencilla de describirlo consiste en verlo como un sistema que deja de comportarse como dictan las reglas de la mecánica cuántica cuando se dan unas condiciones determinadas, pasando a comportarse a partir de ese instante como dictan las reglas de la física clásica.
A estos científicos se les ha ocurrido poner a punto un superconductor topológico con el propósito de dotar a los ordenadores cuánticos de la robustez que requieren
Cuando aparece la decoherencia cuántica desaparecen los efectos cuánticos. Y, por tanto, también las ventajas que acarrean en el contexto de la computación cuántica. Este fenómeno es muy importante porque nos ayuda a entender por qué muchos sistemas físicos macroscópicos no exhiben efectos cuánticos. O, lo que es lo mismo, por qué en nuestro entorno cotidiano no podemos observar los contraintuitivos efectos de la mecánica cuántica. Sea como sea muchos de los científicos que desarrollan su investigación en el ámbito de los ordenadores cuánticos se están esforzando para encontrar una forma eficaz de lidiar con la decoherencia.
La aproximación del profesor Peng Wei y su equipo de la Universidad de California en Riverside (EEUU) es muy original. Y es que a estos científicos se les ha ocurrido poner a punto un superconductor topológico con el propósito de dotar a los ordenadores cuánticos de la robustez que requieren para procesar la información correctamente. No es fácil explicar de una forma sencilla qué es un superconductor topológico, pero en este artículo necesitamos estar mínimamente familiarizados con ellos. Como podemos intuir, una de sus propiedades fundamentales es la superconductividad, por lo que en determinadas circunstancias la corriente eléctrica puede fluir a través de ellos sin ninguna resistencia, y, por tanto, sin que una parte de la energía se transforme en calor.
Por otro lado, la topología es una rama de las matemáticas que estudia las características de los objetos cuyas propiedades no se ven alteradas cuando sufren una cierta deformación. Los superconductores topológicos, por tanto, son capaces de conducir la corriente eléctrica sin resistencia, y, al mismo tiempo, tienen propiedades inusuales derivadas de su topología. La más importante es que pueden albergar fermiones de Majorana tanto en su superficie como en los bordes. Estos fermiones tienen una propiedad asombrosa: son a la vez una partícula y su propia antipartícula.
Este innovador superconductor topológico suprime las fuentes de decoherencia provocadas por los defectos materiales
Lo que los hace muy atractivos para la computación cuántica es que, cuando aparecen, en teoría lo hacen por pares y tienen una estabilidad razonablemente alta, algo que no abunda en el mundo de las partículas sometido a las leyes de la mecánica cuántica. Esta propiedad en teoría puede ser utilizada para almacenar información cuántica en dos lugares diferentes. La coincidencia de esta duplicidad y de su estabilidad sugiere que estas partículas podrían usarse para fabricar cúbits más estables y menos propensos a las perturbaciones externas que los cúbits utilizados en los ordenadores cuánticos actuales.
"Un superconductor topológico emplea un estado deslocalizado de un electrón o un hueco para transportar información cuántica y procesar datos de manera robusta [...] Nuestro material podría ser un candidato prometedor para desarrollar componentes de computación cuántica más escalables y fiables", explica el profesor Peng Wei. Suena muy bien, pero esto no es todo. Su superconductor ha demostrado tener una gran estabilidad en presencia de campos magnéticos, y, además, suprime las fuentes de decoherencia provocadas por los defectos materiales, algo que hasta ahora representaba un enorme desafío. Es razonable prever que podemos estar ante uno de los grandes avances en ordenadores cuánticos de los últimos años.
Imagen | IBM
Más información | Interesting Engineering
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