Computación cuántica: controlar los qubits


Artículo extraido de Investigación y Ciencia

Como es bien sabido, para almacenar información, los ordenadores emplean bits: variables que pueden adoptar uno de dos valores posibles, 0 o 1. El funcionamiento de los ordenadores cuánticos, en cambio, se basa en el empleo de bits cuánticos, o qubits. Un qubit es un sistema cuántico de dos niveles. Ello quiere decir que, en general, su función de onda se encuentra en una superposición o “mezcla” de dos (y solo dos) estados base: digamos, |0> y |1>.

Solo cuando efectuamos una medida sobre el estado del qubit, la función de onda “colapsa” y el resultado de la medida arroja un valor definido: bien 0, o bien 1 (la probabilidad de obtener 0 o 1 queda determinada por la superposición particular de los estados |0> y |1> en la que se halle el qubit en el momento de la medida).

En el contexto de un ordenador cuántico, medir el estado de un qubit es el equivalente a extraer la información: preguntarle al ordenador por el resultado de un cálculo. Pero, mientras el ordenador calcula, sus qubits individuales se hallarán en “una mezcla de ceros y unos”. Es justo esta particularidad la que permite que los ordenadres cuánticos puedan calcular muchísimo más rápido que los ordenadores clásicos.

El problema radica en que todo esto funciona muy bien, pero solo en teoría. A día de hoy, nadie ha conseguido fabricar un ordenador cuántico. ¿Por qué? Para ello habría que disponer de un sistema de qubits acoplados que fuese posible controlar a voluntad, y semejante objetivo se muestra técnicamente muy difícil.

No obstante, candidatos a qubits no faltan. Uno de los ejemplos más sencillos y mejor estudiados de un sistema cuántico de dos niveles lo proporciona una partícula de espín 1/2, algo tan común como el electrón. En tal caso, el espín de la partícula (que puede describirse como la magnitud de su rotación intrínseca con respecto a un cierto eje) queda descrito por una superposición de dos estados, que podemos llamar “arriba” o “abajo”. Por tanto, las características de una partícula con espín 1/2 se corresponden con las de un qubit. El problema reside en cómo manipularlas.

El espín de un electrón puede controlarse mediante campos magnéticos. Esa es la propiedad en la que se basan los métodos de resonancia magnética empleados en las técnicas de formación de imágenes en medicina. Sin embargo, el método solo es viable cuando se trata de un gran número de electrones. Controlar el espín de un único electrón mediante campos magnéticos, como requeriría un ordenador cuántico, sigue siendo un objetivo complicado.

Recientemente, Leo Kouwenhoven y colaboradores de la Universidad de Tecnología de Delft, en Holanda, han conseguido implementar y controlar quibits individuales empleando para ello nanohilos de arseniuro de indio, un material semiconductor. Para ello han recurrido a una de las propiedades del electrón bien conocidas por los estudiantes de física atómica: la interacción espín-órbita.

Cuando un electrón orbita en torno a un núcleo atómico, se produce una interacción entre el movimiento orbital del electrón y su espín (a modo de metáfora, vendría a ser algo así como si el movimiento de la Tierra alrededior del Sol afectase a la rotación del planeta en torno a su propio eje). Una manera sencilla de entender el origen de dicho acoplamiento es la siguiente: en el sistema de referencia en el que el electrón se halla en reposo, el núcleo es una carga positiva en rotación, por lo que crea un campo magnético, y ese campo magnético afecta al espín del electrón.

En el caso de los nanohilos semiconductores (hilos de tan solo algunos nanómetros de espesor) de arseniuro de indio, el movimiento orbital de los electrones puede controlarse mediante la aplicación de campos eléctricos sobre el nanohilo; además, el acoplamiento espín-órbita es muy intenso. A la postre, ello permite un control eficiente del espín de un electrón mediante un circuito eléctrico. Por otro lado, las propiedades semiconductoras del arseniuro de indio facilitan el control sobre electrones individuales gracias a una propiedad de confinamiento espacial de los electrones conocida como “puntos cuánticos” (quantum dots). Así pues, el resultado allana el camino para integrar y controlar qubits individuales en circuitos eléctricos, tal y como requeriría un futuro ordenador cuántico.

Kouwenhoven y sus colaboradores fueron capaces de aislar dos electrones y los hicieron funcionar como qubits. Sus resultados, que varios expertos han calificado como de avance importante en el programa de investigación en computación cuántica, aparecieron publicados la semana pasada en la revista Nature.

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