Físicos presentan el primer cúbit totalmente mecánico
Un equipo de físicos de la ETH de Zúrich ha creado el primer cúbit mecánico funcional. En su artículo publicado en Science, describen su innovadora idea y los exitosos resultados obtenidos en las pruebas.
Por Enrique Coperías
El dispositivo consiste en un chip de zafiro con un cúbit superconductor (rectángulos grises, izquierda) encima de otro que actúa como un oscilador mecánico (punto gris, derecha). Crédito: Uwe von Luepke / ETH Zürich
Un equipo de físicos de la ETH de Zúrich, en Suiza, ha logrado construir el primer cúbit mecánico funcional de la historia. La información cuántica (QI) y su procesamiento podrían ser el próximo punto de inflexión tecnológico en un futuro más bien cercano, al proporcionar capacidades computacionales, de seguridad y de sensibilidades de detección sin precedentes.
No hay que olvidar que los cúbits o qubits son la unidad básica de información en la computación cuántica. A diferencia de los bits clásicos, que solo pueden tener dos valores —1 (true/on) o 0 (off/false)—, un cúbit puede existir en una superposición de ambos estados al mismo tiempo, lo que le permite procesar una mayor cantidad de información simultáneamente. Esto le confiere un potencial mucho mayor para resolver ciertos problemas complejos de forma más rápida que las computadoras tradicionales.
Ahora bien, a día de hoy, todavía existe un acalorado debate sobre qué tipos de cúbits son realmente los idóneos y mejores para realizar tal tarea. En su artículo publicado en la revista Science, los investigadores de la ETH de Zúrich detallan los exitosos resultados obtenidos durante las pruebas con su cúbit mecánico.
Nace el concepto teórico del cúbit mecánico
La idea no es nueva. En 2021, Fabio Pistolesi, de la Universidad de Burdeos-CNRS, en Francia; Adrian Bachtold, del Instituto de Ciencias Fotónicas, en España; y Andrew N. Cleland, de la Universidad de Chicago desarrollaron el concepto teórico del cúbit mecánico. Para ello, se basaron en un resonador de nanotubos acoplado a un doble punto cuántico bajo un régimen de acoplamiento ultrafuerte.
Hay que decir que los resonadores nanomecánicos son osciladores mecánicos, similares a los resortes y las cuerdas de instrumentos como la guitarra, que, al ser perturbados, generan sonidos armónicos o inarmónicos en función de de la intensidad de la perturbación. Los físicos han demostrado que estos nanoresonadores poseen el potencial de formar parte de las plataformas más prometedoras para la creación de cúbits, especialmente cuando se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Los resultados teóricos de Pistolesi, Bachtold y Cleland demostraron que los resonadores nanomecánicos podrían ser candidatos ideales para cúbit, ya que ofrecen largos tiempos de coherencia, una característica esencial para la computación cuántica. En efecto, la coherencia se refiere a la capacidad de un cúbit para mantener su estado cuántico superpuesto durante un período de tiempo.
Es decir, es la duración durante la cual un cúbit puede existir simultáneamente en una combinación de los estados 0 y 1 sin perder esa propiedad. La coherencia resulta ser crucial, porque, mientras el cúbit permanece coherente, puede realizar cálculos cuánticos complejos de manera eficiente.
Una ciencia que crece a pasos agigantados
Los científicos están convencidos de que las computadoras cuánticas, cuando superen los retos a los que se enfrentan, serán capaces de resolver muchos problemas que están fuera del alcance de las computadoras clásicas. Aunque se ha avanzado considerablemente en este campo, la meta aún no se ha alcanzado por completo.
No hay que olvidar que mientras que los chips de silicio suelen utilizarse para procesar los bits clásicos, los ordenadores cuánticos requieren nuevas tecnologías, que aún compiten entre ellas para hacerse con el preciado tesoro. Hablamos por ejemplo de plataformas tan diversas como son los materiales superconductores con uniones de Josephson, cúbits topológicos, iones atrapados, átomos ultrafríos neutros e incluso diamantes con huecos o defectos en su estructura cristalina.
En palabras de Yo Yang y sus colegas de la ETH de Zúrich, uno de los principales desafíos de la ciencia de la computación cuántica sigue siendo el de los cúbits virtuales, como los que se crean mediante electromagnetismo, los cuales generan errores que deben ser corregidos constantemente. Para superar este obstáculo, el equipo de investigación de Suiza encontró una alternativa: utilizar los citados qubits mecánicos.
En 2023, un equipo de investigación anunció en la revista Nature Physics que había logrado da el primer paso preexperimental hacia la materialización de un cúbit mecánico con ayuda de un resonador mecánico acoplado a un transistor de un solo electrón.
Retención de información en tres estados
Yang insiste en que, a diferencia de los bits clásicos, que solo pueden representar un 1 o un 0, los cúbits tienen la capacidad de almacenar información en una superposición de ambos estados simultáneamente. En el estudio, Yang y su equipo crearon una membrana, que se asemeja a la de un tambor, capaz de retener información en tres posibles estados: estable, vibrante o ambos al mismo tiempo.
El verdadero problema de los qubits virtuales radica en su corta duración, ya que surgen y desaparecen en un abrir y cerrar de ojos. Por eso, los físicos decidieron recurrir a una solución que fuera mucho más duradera: un disco piezoeléctrico fijado a una base de zafiro. Este disco actúa como un resonador mecánico. A continuación, un cúbit hecho de un material superconductor fue fijado a su propia base de zafiro, utilizando una técnica de fabricación innovadora que ellos mismos desarrollaron.
El resultado fue un qubit con tiempos de coherencia mucho más largos que los de los qubits híbridos o virtuales utilizados en otros sistemas, dependiendo del tipo de superconductor empleado.
El equipo tiene la intención de seguir avanzando en su investigación, con el objetivo de mejorar aún más los tiempos de coherencia utilizando diferentes materiales. Además, planean realizar pruebas con puertas cuánticas para evaluar el rendimiento de sus cúbits en un entorno computacional cuántico. ▪️
Información facilitada por Science
Fuente: Yu Yang et al. A mechanical qubit. Science (2024). DOI: 10.1126/science.adr2464
