Cuando indagamos en los retos que los científicos están intentando resolver para contribuir al desarrollo de los ordenadores cuánticos solemos dar vueltas siempre a las mismas ideas. Poner a punto cúbits de más calidad, más robustos, es fundamental, por supuesto. También lo es implementar un sistema de corrección de errores que nos garantice que los resultados que nos entregan los ordenadores cuánticos son correctos. Y es imprescindible elaborar nuevos algoritmos cuánticos que nos permitan enfrentarnos a más problemas.
Sin embargo, hay un desafío que con frecuencia pasa desapercibido, y en el que, afortunadamente, los científicos que están investigando en el ámbito de la computación cuántica también están dando pasos hacia delante muy importantes: el control de los cúbits. La estrategia utilizada para manipular la información procesada en un ordenador cuántico es crucial porque delimita qué podemos hacer con él, y también condiciona su eficiencia. En este ámbito tenemos una buena noticia: unos investigadores de la Universidad de Rochester, en Estados Unidos, han dado con un mecanismo de control de los cúbits muy prometedor.
Este mecanismo de control del espín propone cambiar las reglas del juego
En otros artículos hemos explicado con bastante detalle cuáles son los principios de funcionamiento de los ordenadores cuánticos, pero antes de seguir adelante merece la pena que hagamos un repaso muy breve de algunos conceptos. La unidad de información mínima que maneja un ordenador cuántico es el cúbit, una denominación que procede de la contracción del término 'bit cuántico'. Curiosamente, los cúbits, a diferencia de los bits, no tienen un único valor en un momento dado; tienen una combinación de los estados cero y uno simultáneamente.
El espín es una propiedad intrínseca de las partículas elementales derivada de su momento de rotación angular
No obstante, no hay un único tipo de cúbits. Una tecnología que está bastante desarrollada son las trampas de iones, que utilizan átomos ionizados, y, por tanto, con una carga eléctrica global no neutra que permite mantenerlos aislados y confinados en el interior de un campo electromagnético. Algunos grupos de investigación están trabajando en otras tecnologías que también son muy prometedoras, como los iones implantados en macromoléculas o los átomos neutros. Eso sí, una de las estrategias mejor afianzadas son los cúbits superconductores de silicio, en los que trabajan, entre otras empresas, Intel, IBM o Google.
El mecanismo utilizado habitualmente para manipular la transferencia de información en este último tipo de cúbits consiste en controlar el espín de los electrones. Sí, parece magia. Es impactante que los científicos hayan conseguido actuar con precisión sobre algo que a priori resulta tan intangible como es el espín de una partícula. Pero sí, saben cómo hacerlo. No es necesario que definamos con mucha precisión qué es el espín para no complicar demasiado este artículo; nos basta saber que es una propiedad intrínseca de las partículas elementales, al igual que la carga eléctrica, derivada de su momento de rotación angular.
Sigamos adelante. El método utilizado habitualmente para controlar el espín de los electrones se conoce como ESR (Electron Spin Resonance), y consiste, a grandes rasgos, en exponer los cúbits a campos magnéticos de radiofrecuencia oscilantes. El problema es que esta estrategia se enfrenta al desafío que conlleva controlar con muchísima precisión la oscilación de los campos magnéticos en el entorno criogénico en el que es necesario preservar los cúbits para mantener su nivel de energía tan bajo como sea posible con el propósito de minimizar la decoherencia cuántica.
Estos investigadores han implementado el control de los cúbits recurriendo a un fenómeno conocido como 'acoplamiento espín-valle'
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. Cuando aparece la decoherencia cuántica desaparecen los efectos cuánticos. Y, por tanto, también las ventajas que acarrean en el contexto de la computación cuántica.
Los investigadores de la Universidad de Rochester que he mencionado unas líneas más arriba proponen una alternativa muy ingeniosa a esta estrategia que prescinde de la utilización de los campos electromagnéticos oscilantes. De esta forma han conseguido sortear el desafío en el que acabamos de indagar. La manera en que implementan el control de los cúbits pasa por recurrir a un fenómeno conocido como 'acoplamiento espín-valle', que, muy a grandes rasgos, se produce cuando los electrones de los cúbits de silicio transicionan entre diferentes estados de espín y valle.
Como hemos visto, el espín de un electrón describe las propiedades magnéticas de la partícula, mientras que el valle está vinculado al comportamiento espacial del electrón. En la práctica lo que estos investigadores han descubierto es que es posible controlar con mucha precisión el espín de los electrones aplicando un pulso eléctrico que tiene como propósito desencadenar el acoplamiento espín-valle a demanda. Suena complicado, y lo es, pero, tal y como explican estos científicos en el artículo que han publicado en Nature Physics, este procedimiento funciona. Y gracias a él en el futuro, en teoría, será posible controlar de forma coherente y eficaz los cúbits sin necesidad de recurrir a campos electromagnéticos oscilantes.
Imagen de portada: Universidad de Rochester - Michael Osadciw
Más información: Nature Physics | Universidad de Rochester
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