Un reciente estudio publicado en Nature Physics ha arrojado luz sobre una nueva forma de prolongar la vida útil de los qubits en la computación cuántica, desafiando la noción previa de que es necesario mantener estos qubits en ambientes ultra-puros y diluidos para garantizar su longevidad. Este descubrimiento, realizado por investigadores del Instituto Paul Scherrer (PSI), la ETH de Zúrich y la EPFL, demuestra cómo los qubits con largas vidas útiles pueden existir en un entorno ‘desordenado’.
Descubrimiento en el PSI: Un Giro Innovador en la Tecnología de Qubits
El equipo de investigación, liderado por Gabriel Aeppli, utilizó iones de terbio dopados en cristales de fluoruro de litio-ytrio (YLiF) para crear qubits en estado sólido. Estos qubits, ubicados en un cristal repleto de iones de tierras raras, mostraron coherencias mucho más prolongadas de lo esperado en un sistema tan denso.
El estudio revela que, en lugar de diluir los qubits al extremo, una estrategia más efectiva es introducir una gran cantidad de iones de tierras raras y seleccionar los ‘qubits joya’ de entre la ‘basura’. Esto representa un cambio significativo en el enfoque tradicional de diseño de qubits, que se ha centrado en la búsqueda de materiales ultra-puros y en la dilución extrema de los qubits.
La innovación radica en la formación de los qubits a partir de pares de iones que interactúan fuertemente entre sí. Estos pares forman qubits basados en superposiciones de diferentes estados de la capa electrónica, en lugar de utilizar el spin nuclear de iones individuales como es común. Dentro del cristal, solo algunos iones de terbio forman estos pares, lo que significa que los qubits resultantes son relativamente diluidos a pesar de la alta densidad de iones en el cristal.
Protección a través del Emparejamiento
Adrian Beckert, autor principal del estudio, explica que al introducir una gran cantidad de terbio en el cristal, se forman pares de iones por casualidad, que actúan como los qubits. Estos pares, debido a sus propiedades físicas, están protegidos del ‘ruido’ del entorno. Operan en una energía característica diferente, lo que impide que intercambien energía con los iones de terbio individuales y, por lo tanto, están “ciegos” a ellos.
Este aislamiento inherente de los pares de qubits los protege de la decoherencia, un proceso por el cual los qubits pierden información cuántica al interactuar con su entorno. Markus Müller, coautor del estudio, señala que mientras un terbio individual puede transferir fácilmente su excitación a otro, causando decoherencia, un par de terbio en un estado entrelazado vive en una energía diferente y no puede hacer este ‘salto’, protegiendo así su coherencia.
Implicaciones para la Computación Cuántica y el Futuro
El descubrimiento tiene profundas implicaciones para el campo de la computación cuántica. Los investigadores también utilizan la luz para manipular y medir efectos cuánticos en materiales, y esperan operar el mismo tipo de qubits a las frecuencias más altas de la luz láser óptica. A largo plazo, el equipo busca utilizar la luz del Láser de Electrones Libres de Rayos X SwissFEL o la Fuente de Luz Suiza SLS para observar el procesamiento de información cuántica, lo que podría facilitar la lectura de conjuntos completos de qubits con luz de rayos X.
El terbio, como elección de dopante, es especialmente atractivo, ya que puede ser fácilmente excitado por frecuencias en el rango de microondas utilizadas para las telecomunicaciones. Esto abre la puerta a aplicaciones más prácticas y accesibles en la computación cuántica, superando uno de los principales obstáculos: la creación de qubits que retengan su información cuántica el tiempo suficiente para ser útiles.
Este estudio no solo desafía la sabiduría convencional sobre la dilución y pureza necesarias para qubits estables, sino que también ilumina un nuevo camino hacia la escalabilidad y la integración práctica de la tecnología cuántica. La exploración continua de estos ‘qubits joya’ en entornos densos podría ser la clave para desbloquear el potencial completo de la computación cuántica, ofreciendo un futuro en el que los cálculos complejos y la resolución de problemas sean realizados con una velocidad y eficiencia sin precedentes.
