Físicos de la Universidad de Yale han observado una nueva forma de fricción cuántica que podría servir de base para el almacenamiento robusto de información en computadoras cuánticas en el futuro. Los investigadores se apoyan en décadas de investigación y demuestran experimentalmente un procedimiento teorizado hace casi 30 años.
Los resultados aparecen en la revista Science y se basan en el trabajo realizado en el laboratorio de Michel Devoret, profesor F.W. Beinecke de Física Aplicada.
Las computadoras cuánticas, una tecnología aún en desarrollo, se basarían en las leyes de la mecánica cuántica para resolver ciertos problemas exponencialmente más rápido que las computadoras clásicas. Almacenarían información en sistemas cuánticos, como el espín de un electrón o los niveles de energía de un átomo artificial. Estas unidades de almacenamiento, llamadas «qubits», son el equivalente cuántico de los «bits» clásicos. Pero, mientras que los bits pueden estar en estados como 0 o 1, los qubits pueden estar simultáneamente en los estados 0 y 1. Esta propiedad se llama superposición cuántica; es un recurso poderoso, pero también muy frágil. Garantizar la integridad de la información cuántica es uno de los principales desafíos del campo.
Zaki Leghtas, primer autor del artículo e investigador posdoctoral en Yale, ofreció la siguiente metáfora para explicar esta nueva forma de fricción cuántica:
Imagine una colina rodeada por dos cuencas. Si coloca una pelota en la cima de la colina, rodará por una de las laderas y se detendrá en una de las cuencas. Al rodar, pierde energía debido a la fricción entre la pelota y el suelo, y se ralentiza. Por eso se detiene en el fondo de la cuenca. Pero la fricción también hace que la pelota deje un rastro a su paso. Al observar ambos lados de la colina y ver dónde se ha aplastado la hierba y se han apartado las piedras, puede determinar si la pelota rodó hacia la cuenca de la derecha o hacia la de la izquierda.
Esta figura muestra la posición de una partícula cuántica durante un período de 19 microsegundos. Los colores oscuros indican una alta probabilidad de que la partícula se encuentre en la posición especificada. Es un gráfico de la evolución temporal de la función de Winger W (⍺) del sistema cuántico, donde el negro corresponde a 1,0, el blanco a 0 y el azul a –0,05.
Sin embargo, si sustituimos la pelota por una partícula cuántica, surge un problema. Las partículas cuánticas pueden existir en muchos estados al mismo tiempo, por lo que, en teoría, la partícula podría ocupar ambas cuencas simultáneamente. Pero, mientras la partícula rueda cuesta abajo, la fricción entre la partícula y la colina deja una huella en el entorno que puede medirse. La misma fricción que detiene la partícula en el fondo también traza el camino. Esto destruye la superposición y obliga a la partícula a existir en una sola cuenca.
Anteriormente, los investigadores habían podido aprovechar esta fricción para atrapar partículas cuánticas en cuencas determinadas. Pero ahora, el laboratorio de Devoret demuestra un nuevo tipo de fricción: uno que ralentiza la partícula mientras rueda, pero no traza un camino que revele qué lado está eligiendo. Esto permite que la partícula exista simultáneamente en ambas cuencas, la izquierda y la derecha.
Cada uno de estos estados de «cuenca» es estable y estacionario. Aunque la partícula cuántica podría moverse dentro de las cuencas, pequeñas perturbaciones no la expulsarían de ellas. Además, cualquier superposición de estos dos estados de cuenca también es estable y estacionaria. Esto significa que podrían utilizarse como base para almacenar información cuántica.
Técnicamente, esto se denomina una variedad bidimensional de estados estacionarios cuánticos. Devoret y Leghtas señalan que el siguiente paso consiste en ampliar esta variedad bidimensional a cuatro dimensiones, añadiendo dos cuencas más al paisaje. Esto permitirá a los científicos codificar información cuántica de forma redundante y corregir errores dentro de la variedad. La corrección de errores es uno de los componentes clave que deben desarrollarse para que sea viable una computadora cuántica práctica.
Los demás autores son Steven Touzard, Ioan Pop, Angela Kou, Brian Vlastakis, Andrei Petrenko, Katrina Sliwa, Anirudh Narla, Shyam Shankar, Michael Hatridge, Matthew Reagor, Luigi Frunzio, Robert Schoelkopf y Mazyar Mirrahimi, de Yale. Mirrahimi también tiene un cargo en el Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique Paris-Rocquencourt.
Este artículo se publica en colaboración con Yale News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Ike Swetlitz es escritor de Yale News.
Imagen: Una ilustración muestra la proyección de un código binario sobre un hombre que sostiene una computadora portátil. REUTERS/Kacper Pempel.
