Hacia el diseño de una computadora cuántica con millones de qubits

En lo que es un paso clave hacia la construcción de una computadora cuántica funcional, unos investigadores han desarrollado un método que puede hacer posible la transferencia rápida y fiable de información cuántica en un dispositivo de computación. A la postre, este logro podría permitir a los ingenieros construir computadoras cuánticas compuestas por millones de bits cuánticos (qubits). Hasta ahora, los investigadores de este campo sólo han podido manipular pequeñas cantidades de qubits, insuficientes para conformar una máquina práctica.

Durante años, diversos equipos de científicos han perseguido el objetivo de usar la mecánica cuántica para construir una nueva máquina que revolucionaría la computación. Lo que se pretende no es tanto construir un ordenador más rápido o más potente, como fabricar uno que aborde los problemas de forma completamente distinta a como lo han venido haciendo los ordenadores clásicos desde que fueron inventados.

Los ordenadores convencionales almacenan la información valiéndose de los bits tradicionales, los cuales pueden tomar uno de dos valores: 0 ó 1. Estos bits permiten a los programadores crear conjuntos complejos de instrucciones que son la base de la computación actual. Desde que Alan Turing dio los primeros pasos hacia la fabricación de una computadora, en la Universidad de Cambridge y en la de Princeton, en 1936, los ingenieros han creado máquinas mucho más potentes y complejas, pero este sistema binario básico no ha cambiado.

La potencia de una computadora cuántica proviene de las extrañas leyes de la mecánica cuántica, que describen el universo de las partículas subatómicas. La mecánica cuántica estipula que un electrón puede rotar en una dirección, y representar un 1, o en otra dirección, y representar un 0. Pero también puede estar en un exótico estado, llamado "superposición", en el que representa al mismo tiempo a todos los estados existentes entre 1 y 0. Si los científicos e ingenieros pueden construir una máquina funcional que aproveche esto, se abrirían campos completamente nuevos de la computación, que permitirían resolver problemas que no pueden ser resueltos con un ordenador normal.

Uno de los retos que afrontan los científicos es que los espines de los electrones, o de cualquier otra partícula cuántica, son increíblemente delicados. Cualquier influencia externa, ya sea un vestigio de magnetismo o un rayito de luz, desestabiliza los espines de los electrones e introduce errores.

A través de los años, los científicos han desarrollado técnicas para observar los estados de los espines sin alterarlos. Pero no bastan con poder analizar una pequeña cantidad de espines; se necesitará analizar millones para crear un verdadero procesador cuántico.

Para abordar el problema, el equipo del físico Jason Petta, el ingeniero electrónico Andrew Houck, y el físico Jake Taylor, los dos primeros de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, Estados Unidos, y el último del Instituto Nacional estadounidense de Estándares y Tecnología (NIST), combinó técnicas de dos ramas de la ciencia: De la ciencia de los materiales, usó una estructura llamada punto cuántico para retener y analizar los espines de los electrones; y de la óptica, usó un canal de microondas para transferir desde el punto cuántico la información del espín.


Para crear los puntos cuánticos, el equipo aisló un par de electrones sobre una pequeña sección de material, lo que se conoce como un "nanocable semiconductor". Básicamente, se trata de un cable que es tan delgado que puede retener a los electrones como sucede con las burbujas de un refresco con gas a medio sorber en una pajita de bebida. Luego, el equipo creó pequeñas "jaulas" a lo largo del cable. Las jaulas se preparan de modo que los electrones vayan a una jaula particular dependiendo de su nivel de energía.

Así es como el equipo de investigación logra que su sistema permita leer el estado del espín: Dado que los electrones con espines similares se repelen, mientras que los de espines diferentes se atraen, los investigadores llevan a los electrones hasta cierto nivel de energía y luego leen su posición. Si están en la misma jaula, sus espines son diferentes; en caso contrario, sus espines son iguales.

El segundo paso es colocar al punto cuántico dentro de un canal especial de microondas. Éste permite transferir la información del qubit. A fin de realizar la transferencia, el equipo de Petta usa un flujo de fotones de microondas para analizar un par de electrones atrapados en un punto cuántico. El estado del espín de los electrones (o, en otras palabras, la información sobre cómo están girando) actúa como qubit, la unidad básica de información. El flujo de microondas permite a los científicos leer esa información.

Aún está por ver si este sistema permitirá manejar millones de qubits, pero, por ahora, las perspectivas son buenas.

El próximo paso en esta línea de investigación y desarrollo es aumentar la fiabilidad del sistema para un único par de electrones. Después de eso, el equipo planea añadir más puntos cuánticos a fin de crear más qubits.

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