Físicos crean ‘pseudo-partículas’ para una computación cuántica libre de errores

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Puede que estemos un paso más cerca de una computación cuántica inherentemente protegida de errores. Los físicos de la Universidad de Copenhague han creado con éxito un tipo exótico de pseudo-partícula que es inmune a la interferencia externa. Los resultados se describen en un nuevo artículo en la revista Nature.

A diferencia de un ordenador clásico, con bits que representan 0 y 1, un ordenador cuántico almacena la información en “qubits”. Gracias a la rareza de la mecánica cuántica, este tipo de qubit puede estar en dos estados al mismo tiempo, tanto en 0 como en 1, al igual que el gato de Schrödinger está a la vez vivo y muerto hasta que se tome una medida u observación. Se llama una superposición de estados.

Ilustración del gato de Schrödinger, que se encuentra en un estado de superposición tanto vivo como muerto, mientras no sea observado.

Hay muchos métodos propuestos para la construcción de un ordenador cuántico, pero la mayoría comparten un desafío común: la información cuántica debe estar protegida de todo ruido externo en el área circundante. La más mínima interferencia (un solo fotón que llegue a toparse con un átomo utilizado para codificar y almacenar información, por ejemplo) provocaría la “descoherencia” de todo el sistema, de tal manera que la importante superposición que le permite al qubit tomar a la vez los valores 0 y 1 se pierde. Eso implica errores en los cálculos.

Los físicos han ideado métodos ingeniosos en los últimos años para la corrección de errores cuánticos explotando el fenómeno del entrelazamiento. Esto les permite comprobar los datos sin realizar ninguna medición real, preservando así la superposición. Pero, ¿y si hubiera una forma de llegar a la total protección de interferencias externas de tal manera que hiciera innecesaria la corrección de errores? Esa es la idea detrás de la computación cuántica topológica, el foco de Charles Marcus y sus colegas del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, reforzada con una importante inversión de Microsoft.

Matemáticamente, la topología es distinta de la geometría. Una bola tiene una forma muy diferente a la de un cubo geométricamente hablando, pero desde un punto de vista topológico, ambos son iguales, porque se puede transformar uno en el otro sin tener que hacer un agujero o un corte.

Un ordenador cuántico topológico trenzaría qubits en una especie de nudo. Diferentes tipos de trenzas codificarían diferentes tareas computacionales, y esas estructuras serían topológicamente estables. Sería posible manipularlos sin destruir la superposición, haciendo del mismo un ordenador inherentemente más robusto.

Candidato a PhD Sven Albrecht y Profesor Charles Marcus, en el Centro para Dispositivos Cuánticos (QDev) en el instituto Niels Bohr en Copenhague. Imagen: Ola Jakup Joensen, NBI

“Si estás utilizando la geometría en tu ordenador cuántico, debes girar las cosas de una manera muy precisa para construir una puerta cuántica”, dijo Michalakis. De lo contrario, los errores se acumulan y terminan por arruinar el cálculo. Sin embargo, un qubit topológico es tan estable que puede girar alrededor de otro de cualquier manera, siempre y cuando se complete una vuelta entera para crear un nudo simple o trenza.

Muy bien, pero, ¿cómo construir un qubit topológico? En primer lugar, es necesario crear un tipo especial de pseudo-partículas llamadas aniones. Por lo general, consideramos que los electrones son partículas fundamentales, es decir, indivisibles en componentes más pequeños. Pero las cosas se vuelven raras cuando se reducen a dos dimensiones. En este espacio, la mecánica cuántica permite que un electrón se divida en dos (o tres) componentes más pequeños, cada uno con una fracción de la carga. Son como las burbujas que se forman en un líquido cuántico. Estas burbujas son los aniones. “Nunca las llegamos a ver a menos que creemos condiciones muy específicas”, dijo Michalakis.

Tales partículas “no existen por sí mismas, pero pueden ser creados usando una combinación de materiales que incluyen superconductores y semiconductores,” dijo Marcus en un comunicado. La superconductividad es la capacidad de los electrones para fluir a través de un material con resistencia cero a la fricción, un estado normalmente alcanzado a temperaturas muy bajas, al nivel del helio líquido o nitrógeno líquido. El grupo de Marcus esencialmente creado un nuevo tipo de superconductor topológico.

Esto es importante debido a la naturaleza de la superconductividad. Similar a una incorporación al carril de transporte colectivo en una autopista, los electrones sólo pueden saltar en el “carril rápido” superconductor de dos en dos. Los aniones pueden dividirse y volverse sus socios, sin embargo; consiguen un pase libre sin tener que pagar el habitual “peaje de energía”, según Michalakis.

Imagen: C. Marcus et al./Nature

Alexei Kitaev, de Caltech, propuso por primera vez la idea de un ordenador cuántico topológico hace varios años, y los físicos de la Universidad de Delft en los Países Bajos encontraron la primera evidencia de aniones en 2012. Kitaev ideó un sistema compuesto por un material superconductor con un fino nanocable semiconductor en la parte superior. En cambio, Marcus y sus compañeros de Copenhague invirtieron ese diseño. Fabricaron un nanocable semiconductor ultra delgado y entonces introdujeron una capa superconductora en la parte superior del mismo, similar a como la mostaza se exprime sobre un perro caliente.

El truco era luego hacer crecer los nanocables a longitudes suficientes como para evitar el solapamiento entre las dos mitades del electrón en cada extremo (resultado de la naturaleza de onda dual de las partículas). Si los extremos de los nanocables están muy juntos, las dos mitades se recombinarían en un electrón entero. Pero consigue mantenerlas lo suficientemente separadas, y los electrones se dividirán en dos partes, una en cada extremo del nanocable.

Ese es el resultado descrito en su nuevo artículo en Nature: Marcus y sus colegas demostraron que las predicciones teóricas de Kitaev eran correctas. Existe una mejora exponencial al crear estos aniones conforme más se separan los dos extremos del nanocable.

Y cuanto mayor es la separación, más robusto es el sistema a la interferencia exterior. “Para destruir su estado cuántico, habría que actuar en ambos extremos al mismo tiempo, lo cual es poco probable,” dijo el co-autor Sven Albrecht en un comunicado.

La observación de estos aniones en nanocables representa un primer paso crítico hacia un ordenador cuántico topológico útil. De acuerdo con Michalakis, el siguiente paso es poner a prueba experimentalmente la viabilidad de un prototipo de dispositivo cuántico para demostrar que el trenzado es posible. A partir de ahí, es sólo una cuestión de encontrar la manera de trenzar los aniones para almacenar información cuántica.

Por supuesto, los desafíos a los que se enfrenta la ingeniería para la construcción de un ordenador cuántico topológico útil son abrumadores. Pero ser capaz de utilizar materiales semiconductores y superconductores existentes hará que el camino hacia un prototipo sea mucho más simple, porque los físicos deberían ser capaces de aprovechar una gran cantidad de tecnología existente.

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2017-02-12T17:29:44+00:00