Científicos del Instituto Weizmann identifican "partículas de memoria" cuánticas: la computadora cuántica duradera más cerca
Es un paso vital hacia la computación cuántica estable al detectar signos de partículas exóticas (aniones no abelianos) que pueden almacenar información de forma inmune a errores.
Las computadoras cuánticas actuales son extremadamente sensibles a perturbaciones ambientales, como ruido, vibraciones, fluctuaciones térmicas o radiación electromagnética, que pueden destruir la información almacenada en sus unidades de cálculo, los cúbits.
Este problema, conocido como decoherencia cuántica, es el principal obstáculo para que estas máquinas pasen de ser sistemas prácticos capaces de resolver problemas que hoy escapan a la computación clásica, como la predicción de reacciones químicas o pronósticos meteorológicos fiables a largo plazo.
Sin embargo, científicos del Instituto de Ciencias Weizmann en Israel han encontrado nueva evidencia de partículas exóticas llamadas "aniones no abelianos" dentro del grafeno bicapa, según un estudio publicado en Nature.
Tienen una propiedad única que las distingue de cualquier otra forma de materia conocida, ya que recuerdan el orden en que se intercambian. Esa memoria no reside en las partículas individuales, sino en la estructura global de su función de onda, lo que permite codificar información de forma más robusta frente a errores.
Este hallazgo representa un paso importante hacia computadoras cuánticas tolerantes a fallos, basadas en sistemas topológicos, donde la información no depende de partículas individuales vulnerables, sino de la configuración completa del sistema.
Es por esta razón que si se confirma definitivamente la naturaleza no abeliana de estas partículas, podrían convertirse en los bloques de construcción de una nueva generación de ordenadores cuánticos mucho más fiables que los actuales.
El problema de las computadoras cuánticas actuales
Cabe señalar que las unidades básicas de información cuántica, los cúbits, son partículas individuales que pueden estar en múltiples estados a la vez gracias al fenómeno de superposición cuántica.
Sin embargo, esa superposición es extremadamente frágil, ya que cualquier interacción con el entorno, por mínima que sea, puede colapsar el estado cuántico y hacer que la información se pierda.
Para describir el estado cuántico de tan solo 300 cúbits, una computadora "normal" necesitaría recordar más de 34 quintillones de números complejos. Esto ilustra la inmensa complejidad de estos sistemas y, al mismo tiempo, explica por qué son tan difíciles de mantener estables.
Por ahora, las computadoras cuánticas se limitan a campos de investigación muy específicos. Para que sean útiles en aplicaciones reales, deben ser tolerantes a errores de forma mucho más eficiente.
Qué son los aniones no abelianos y por qué importan
En la mecánica cuántica, las partículas se clasifican según cómo cambia su función de onda cuando intercambian posiciones. Hasta los años 80, solo se reconocían dos tipos: bosones, cuya función de onda no cambia al intercambiarlos, como las partículas de luz; y fermiones, cuya función se invierte, como los electrones.
Pero en 1982 se descubrió un nuevo estado de la materia donde puede existir otro tipo de partícula llamada anyón, que rota su función de onda en cualquier ángulo entre 0 y 180 grados al intercambiar posiciones.
Los aniones se dividen en dos tipos: abelianos, donde el intercambio solo rota la función de onda, y no abelianos, donde el intercambio rota la función de onda y cambia su forma. Estos últimos recuerdan el orden en que fueron intercambiados.
Cabe señalar que los aniones no abelianos solo aparecen en condiciones extremas, con temperaturas cercanas al cero absoluto, campos magnéticos intensos y sistemas bidimensionales, es decir, materiales ultrafinos donde el movimiento vertical es imposible.
En estas situaciones, los electrones de un material dejan de comportarse como partículas completas y comienzan a actuar como fragmentos de electrones con carga fraccionaria, como un cuarto de electrón.
La información sobre el orden de intercambio no se conserva localmente en una partícula, sino en la función de onda de todo el sistema. Esta propiedad topológica hace que el sistema sea resistente a fallos individuales.
El experimento con grafeno bicapa
El equipo del Dr. Yuval Ronen utilizó grafeno bicapa, un "sándwich" de dos capas de átomos de carbono dispuestos en forma de panal. En este material, el estado en el que se supone que aparecen los aniones no abelianos es estable, y los científicos pueden controlar de cerca sus trayectorias.
Los científicos crearon una trayectoria circular donde la onda de un anyón gira alrededor de una isla que contiene otros aniones y un campo magnético, luego se encuentra con la onda original.
Con cada rotación, la fase de la onda cambia bajo la influencia del campo magnético. Por ello, cuando las ondas se encuentran, se cancelan o se combinan, produciendo un patrón de interferencia con franjas de resistencia eléctrica alta y baja.
A partir de este patrón, los científicos deducen las propiedades del anyón en rotación. Es un proceso similar al análisis de la luz atrapada entre espejos en óptica clásica, pero aplicado a fragmentos de electrones en condiciones cuánticas extremas.
Los científicos midieron una fracción de electrón con denominador par, pero contrariamente a la suposición de que los aniones no abelianos son un cuarto de electrón, observaron que una onda de medio electrón circulaba alrededor de la isla.
Tras experimentos adicionales, estimaron que dos aniones no abelianos giran juntos alrededor de la isla y aún no han logrado separarlos. En otro experimento, modificaron la densidad de partículas en la isla para entender sus propiedades.
"Hemos demostrado que en el grafeno bicapa existen partículas que probablemente sean aniones no abelianos", afirma el Dr. Ronen según recoge el estudio publicado en Nature.
Aunque no lograron observar directamente la "memoria" del sistema, es decir, la firma única que deja cada orden de intercambio en la función de onda, el experimento representa un paso importante hacia su medición e identificación directa.
Implicaciones para la computación cuántica
Los aniones no abelianos permiten un enfoque radicalmente distinto al de las computadoras cuánticas actuales. En lugar de codificar información en partículas individuales vulnerables a perturbaciones, la información se codifica en la topología global del sistema mediante el orden de intercambio de partículas.
"Si tomamos tres aniones no abelianos y sustituimos el primero por el segundo y luego el segundo por el tercero, obtenemos una función de onda con una forma diferente a la que obtendríamos si los sustituyéramos en un orden distinto", explica el Dr. Ronen. "Esta es una forma de codificar y almacenar información".
El siguiente paso será observar directamente la memoria de un sistema de aniones no abelianos: medir cómo cada orden de intercambio de partículas produce una firma única en la función de onda. Esto confirmaría definitivamente su naturaleza no abeliana y abriría la puerta a su uso como cúbits topológicos.
Actualmente, están intentando separar los dos aniones no abelianos que giran juntos alrededor de la isla, lo que permitiría estudiarlos individualmente. El reto es mantener estas condiciones extremas de forma estable y escalable para construir sistemas con suficientes cúbits topológicos para cálculos útiles.
Un paso más hacia la computación cuántica fiable
Las computadoras cuánticas prometen resolver problemas que hoy son irresolubles con computación clásica, pero su extrema sensibilidad a perturbaciones ha limitado su aplicación práctica.
El estudio publicado en Nature aporta nueva evidencia de partículas que podrían cambiar ese panorama al permitir almacenar información de forma topológica, más robusta frente a errores.
Aunque el camino es largo y quedan desafíos considerables, el hallazgo de aniones no abelianos en grafeno bicapa abre una vía prometedora hacia computadoras cuánticas tolerantes a fallos, capaces de operar de forma fiable fuera de los laboratorios.
Cada avance en la comprensión de estas partículas exóticas acerca un poco más la posibilidad de que las computadoras cuánticas pasen de ser herramientas experimentales a tecnología práctica con impacto real en ciencia, industria y sociedad.