Los qubits, los extraños dispositivos que se encuentran en el corazón de una computadora cuántica y que pueden configurarse en 0, 1 o ambos a la vez, difícilmente podrían ser más diferentes del mecanismo de relojería mecánico utilizado en las primeras computadoras. Hoy, la mayoría de las computadoras cuánticas dependen de qubits hechos de pequeños circuitos de metal superconductor, iones individuales, fotones u otras cosas. Pero ahora, los físicos han creado un qubit funcional a partir de una pequeña máquina en movimiento , un avance que recuerda a principios del siglo XX, cuando las primeras computadoras empleaban interruptores mecánicos.
“Durante muchos años, la gente pensó que sería imposible crear un cúbit a partir de un sistema mecánico”, afirma Adrian Bachtold, físico de materia condensada del Instituto de Ciencias Fotónicas que no participó en el trabajo, publicado hoy en Science . Stephan Dürr, físico cuántico del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, afirma que el resultado “pone un nuevo sistema en el mapa”, que podría utilizarse en otros experimentos y tal vez para investigar la interfaz entre la mecánica cuántica y la gravedad.
Un qubit puede ser cualquier sistema que tenga dos estados cuánticos de energías diferentes que puedan aislarse de todos sus otros estados. Por ejemplo, un qubit superconductor es un circuito que se mueve con una corriente inextinguible y tiene un estado de energía más bajo que representa 0 y un estado de energía más alto que representa 1. Aplicando microondas de la frecuencia adecuada, los investigadores pueden llevarlo a un estado u otro, o a cualquier combinación de los dos.
En teoría, un diminuto artilugio que vibra con un movimiento mecánico también podría ser un cúbit. En la escala más pequeña, las vibraciones están cuantizadas y consisten en paquetes de energía infinitesimales llamados fonones, al igual que la luz consiste en fotones de energías específicas. Sin embargo, a primera vista, un oscilador mecánico no es adecuado para crear un cúbit.
El primer obstáculo es conseguir que el dispositivo permanezca lo más quieto posible. Debido a la incertidumbre cuántica, un objeto diminuto nunca permanece inmóvil, ni siquiera a temperaturas de cero absoluto. Sin embargo, en 2010, los físicos lograron enfriar un oscilador mecánico (un trampolín microscópico que vibraba a 6 gigahercios) hasta su estado fundamental menos energético . Incluso lograron que el dispositivo pasara a los dos estados siguientes alimentándolo con energía, un fonón a la vez.
Pero se avecina un segundo desafío. Un oscilador mecánico tiene estados de energía “armónicos”, espaciados uniformemente como los peldaños de una escalera. Eso hace imposible aislar y controlar dos de ellos para formar el cúbit: un estímulo que impulsa un estado a un estado superior también impulsaría ese estado superior al siguiente superior, y así sucesivamente. El desafío “es si se puede hacer que los niveles de energía estén espaciados de manera desigual para poder abordar dos de ellos sin tocar los otros”, dice Yiwen Chu, físico de la ETH Zürich (ETHZ).
Durante más de una década, Dürr y otros físicos cuánticos pensaron que este era un problema insalvable. “Dijimos: ‘Es bueno que puedan llegar al estado fundamental, pero sólo tienen esta escalera [de estados] igualmente espaciada. Es difícil ver cómo saldrán de ese problema’”.
Ahora, Chu y su equipo han hecho precisamente eso empleando un sistema de dos partes. Una parte es un resonador mecánico que no se parece en nada a un trampolín. Sobre un cristal de zafiro con forma de oblea de 400 micrómetros de espesor, los investigadores depositaron una pequeña cúpula de nitruro de aluminio, que se expandiría y contraería en respuesta a un voltaje oscilante, enviando vibraciones al material. Esas vibraciones rebotarían entre las superficies del cristal y sonarían durante cientos de millones de ciclos antes de extinguirse.
La otra parte consistía en un cúbit superconductor equipado con una pequeña antena, depositada sobre un cristal de zafiro similar. Los físicos apilaron los cristales de modo que la antena quedara sobre la cúpula de nitruro de aluminio. De esa manera, la corriente que se movía en el cúbit superconductor excitaría vibraciones en el oscilador mecánico.