Cada vez parece más claro que el futuro es la computación cuántica debido a los múltiples avances que puede ofrecer en la ciencia, sanidad e incluso en la inteligencia artificial. Sin embargo, ¿sabes cómo se fabrica un bit cuántico? En este artículo lo vamos a ver.
¿Átomos artificiales?
La primera pregunta que nos planteamos es “¿Qué requisitos tiene que cumplir un bit cuántico?”. Por tanto, el primer condicionante es que tiene que ser un átomo que pueda estar en dos estados, cero (0) y uno (1). Además, tiene que cumplir el principio de superposición y, si lo cumple, ya tendríamos cúbit cuántico, es decir, pueda estar en tres estados al mismo tiempo: uno (1), cero (0) y uno (1) y cero (0) simultáneamente.
Otro requisito para la fabricación de un bit cuántico es que se pueda manipular y que se mantenga el mayor tiempo posible. Esto último recibe el nombre de coherencia. Por último, los ingenieros tienen que ser capaces de saber en que estado “se encuentra” y, bajo los principios cuánticos, significa “colapsar” es decir, estar en el cero (0) o en el uno (1).
En la construcción de un bit cuántico, en un principio, se pensó en los átomos naturales, porque cuando se emite una determinada cantidad de energía, el electrón del átomo salta de un orbital a otro y la energía que necesita para saltar a un nuevo orbital es muy elevado Por tanto, puedes medir perfectamente la energía que necesitas para el proceso. Sin embargo, este sistema generó muchos problemas, lo que provocó que se empezase a utilizar los denominados átomos artificiales.
Dichos átomos, también conocidos como sistemas cuánticos de dos niveles, imitan el comportamiento de los átomos reales y que se obtiene a través del uso de dispositivos semiconductores o superconductores. Estos sistemas pueden ser controlados y manipulados para almacenar y procesar información cuántica en forma de cúbits. En la actualidad, existen varios métodos para crear átomos artificiales que pueden funcionar como cúbits.
Trampa de iones o de átomos
Para generar este método, tenemos que crear un ion a partir del envío de energía para expulsar un electrón de un átomo. Tras ello, una vez generado el ion, se emplean campos eléctricos y magnéticos para atrapar el ion átomo en el espacio y evitar que interactúe con su entorno, lo que podría causar la decoherencia y la pérdida de información cuántica. Contenido el ion, se manipula para actuar como un cúbit y conseguir que se encuentre en un estado de superposición, es decir, que pueda estar en una de las tres posiciones mencionadas.
A continuación, los científicos tienen que enlazar los iones, lo que indica que el estado en el que se encuentra un bit cuántico está directamente relacionado con el estado de otro cúbit, independientemente de la distancia que los separe. Por último, el estado del cúbit puede ser medido, lo que anteriormente hemos mencionado como colapsar.
Espín nuclear
Para obtener un espín nuclear, necesitamos aplicar un campo magnético externo a los átomos, lo que hace que los espines nucleares se alineen con el campo. En este punto, todos los cúbits están en el estado cero (0), o uno (1) simultáneamente.
A continuación, tenemos que manipular el cúbit. Para hacerlo a través de esta técnica, tenemos que aplicar a los átomos pulsos magnéticos para cambiar el estado del espín nuclear. Por último, se procede a la medición de los cúbits para determinar el estado en el que se encuentra hasta que llegue al estado de colapso.
Problemas que nos enfrentamos a la fabricación de Qubit
A pesar de que, en los últimos años, se han llevado a cabo avances importantes en la fabricación y optimización de bits cuánticos, todavía la industria y los científicos tienen importantes retos que superar.
- Decoherencia: la decoherencia es uno de los principales obstáculos en la construcción de cúbits. Es un proceso en el que los cúbits pierden información cuántica debido a la interacción con su entorno. No obstante, la mayor consecuencia de la decoherencia es la pérdida de coherencia, lo que impide que los bits puedan mantener y procesar la información cuántica.
- Escalabilidad: conforme se incrementa la cantidad de cúbits en un sistema, aumentan tanto la complejidad como la posibilidad de errores. De ahí, que los ingenieros necesitan desarrollar algoritmos y protocolos de corrección de errores cuánticos que permitan la detección y corrección de errores.
- Control y medición precisos: la manipulación y medición de cúbits requiere un control extremadamente preciso y sensible, ya que, un error provoca una consecuencia concatenada de errores. Además, tenemos que añadir la incursión del ruido que se produce en la obtención del desarrollo cuántico.
