La computación cuántica promete revolucionar el mundo del procesamiento de datos, pero su avance se ve obstaculizado por un problema crucial: la decoherencia. Este fenómeno hace que los cúbits, las unidades fundamentales de los ordenadores cuánticos, pierdan su estado cuántico debido a las interacciones con su entorno. El ruido y los defectos en los materiales son algunos de los principales enemigos de la estabilidad cuántica. A pesar de los avances tecnológicos, reducir estas interferencias sigue siendo un desafío clave para hacer que los ordenadores cuánticos sean realmente funcionales y escalables.
Un equipo de investigadores de la Universidad de California, Berkeley, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley ha dado un paso importante en esta dirección. Su estudio, publicado en Nature Physics, introduce un innovador material con una estructura de banda prohibida fonónica. Este material es capaz de reducir la interacción entre los cúbits superconductores y los sistemas de dos niveles (TLS, por sus siglas en inglés), que son defectos materiales responsables de la pérdida de coherencia. Según los autores, esta nueva estrategia podría extender significativamente el tiempo de vida de los cúbits y mejorar su rendimiento en futuros procesadores cuánticos.
¿Por qué es tan difícil mantener la coherencia en los cúbits?
Uno de los principales retos en la computación cuántica es que los cúbits son extremadamente sensibles a su entorno. A diferencia de los bits clásicos, que pueden mantenerse estables en sistemas electrónicos convencionales, los cúbits pueden perder información rápidamente debido a la decoherencia. Este fenómeno ocurre cuando interacciones externas, como fluctuaciones térmicas o vibraciones mecánicas, alteran su estado cuántico.
Dentro de los múltiples factores que causan la decoherencia, los sistemas de dos niveles (TLS) juegan un papel clave. Estos defectos microscópicos actúan como trampas de energía, interfiriendo con los cúbits y reduciendo su tiempo de vida. Hasta ahora, la solución más utilizada ha sido fabricar cúbits más grandes para minimizar su exposición a estos defectos. Sin embargo, este enfoque tiene limitaciones, ya que impide la miniaturización de los procesadores cuánticos.
No confundas qué es la decoherencia cuántica
El término “decoherencia cuántica” puede generar confusión, porque se usa en distintos contextos dentro de la física. En su sentido más amplio, se refiere al proceso por el cual un sistema cuántico pierde sus propiedades cuánticas debido a la interacción con su entorno, lo que lo hace comportarse de manera más clásica. Este es un concepto clave en la interpretación de cómo emerge la realidad que percibimos a partir de la mecánica cuántica.
Sin embargo, en computación cuántica, la decoherencia no se refiere a una transición general del mundo cuántico al clásico, sino a un problema técnico muy concreto: la pérdida de información en los cúbits antes de que se complete un cálculo. Esto ocurre porque factores como los TLS, el ruido térmico y las vibraciones afectan la estabilidad del cúbit, reduciendo su tiempo de vida y aumentando la tasa de errores en los procesadores cuánticos.
Si te interesa profundizar en el concepto de decoherencia a nivel fundamental, te recomiendo este artículo: Vivimos unespejismo cuántico: cómo emerge nuestra realidad del mundo cuántico.
La innovación: un material con banda prohibida fonónica
El estudio de Berkeley propone una solución alternativa basada en la ingeniería fonónica. En lugar de depender únicamente del diseño de los cúbits, los investigadores desarrollaron un metamaterial con una banda prohibida fonónica, lo que significa que ciertas vibraciones cuánticas (fonones) no pueden propagarse a través de él.
Según explica Alp Sipahigil, autor principal del estudio, cuando un cúbit superconductor pierde energía, esta suele disiparse en el entorno en forma de fonones, en un proceso de carácter irreversible y markoviano. En su investigación, lograron evitar este tipo de radiación fonónica al integrar el cúbit dentro de un metamaterial diseñado para impedir la emisión de fonones. Gracias a este enfoque, se consiguió bloquear la interacción entre los cúbits y los TLS, reduciendo notablemente la decoherencia y aumentando la estabilidad del sistema.
¿Qué significa que un proceso sea markoviano?
Un proceso es markoviano cuando su evolución en el tiempo solo depende de su estado actual y no del pasado. En términos simples, esto significa que el sistema “no tiene memoria” y su futuro está determinado exclusivamente por su condición presente. En física cuántica, esto se traduce en que un cúbit que pierde energía en un proceso markoviano no puede recuperarla de su entorno, lo que provoca una rápida disipación y dificulta el mantenimiento de la coherencia cuántica.
En contraste, un proceso no markoviano implica que el sistema sí retiene información sobre estados pasados, lo que permite que parte de la energía o información perdida regrese al cúbit en ciertos momentos. Este comportamiento puede ser beneficioso, ya que prolonga la vida útil del cúbit y reduce la decoherencia. El estudio demuestra que, al modificar el entorno fonónico, se puede inducir este tipo de dinámica no markoviana, mejorando así el rendimiento de los cúbits superconductores.
El metamaterial fonónico: silicio y aluminio para estabilizar cúbits
El material utilizado en este estudio es un metamaterial fonónico basado en silicio suspendido recubierto con aluminio. La base de silicio está estructurada con una red periódica de nanoestructuras, lo que genera una banda prohibida fonónica que impide la propagación de fonones en ciertas frecuencias. Esta configuración evita que los cúbits superconductores pierdan energía a través de la emisión fonónica, lo que mejora su estabilidad y prolonga su tiempo de coherencia.
Por otra parte, la delgada capa de aluminio sobre la estructura de silicio modifica la densidad de estados fonónicos, afinando la interacción entre los cúbits y los fonones en el entorno. La fabricación del metamaterial se realiza mediante litografía de haz de electrones y grabado en seco, técnicas avanzadas que permiten diseñar estructuras precisas en la escala nanométrica. Los experimentos han demostrado que esta combinación de materiales reduce significativamente la decoherencia, lo que representa un avance clave para el desarrollo de procesadores cuánticos más estables y eficientes.
Resultados clave del experimento
Los experimentos demostraron que el uso de este material logró aumentar significativamente el tiempo de relajación de los cúbits. En términos sencillos, esto significa que los cúbits mantuvieron su estado excitado durante más tiempo antes de perder energía, lo que es crucial para mejorar la fiabilidad de los cálculos cuánticos.
Por otra parte, los investigadores observaron un comportamiento no markoviano en los cúbits dentro de la banda prohibida fonónica. En otras palabras, en lugar de perder coherencia de manera predecible y rápida, los cúbits exhibieron una relajación más compleja y prolongada, lo que sugiere que este nuevo material puede cambiar la forma en que los cúbits interactúan con su entorno.
Implicaciones para el futuro de la computación cuántica
Este hallazgo tiene implicaciones significativas para el diseño de futuras arquitecturas cuánticas. Hasta ahora, la ingeniería cuántica se ha centrado en optimizar el entorno electromagnético de los cúbits, pero este estudio demuestra que también es crucial diseñar su entorno mecánico y fonónico.
El trabajo muestra que el co-diseño del entorno fonónico puede ser necesario para mejorar aún más el rendimiento de los cúbits superconductores. Esta perspectiva abre nuevas líneas de investigación para reducir la decoherencia y podría inspirar el desarrollo de nuevos dispositivos cuánticos más compactos y eficientes.
Referencias
- Mutasem Odeh, Kadircan Godeneli, Eric Li, Rohin Tangirala, Haoxin Zhou, Xueyue Zhang, Zi-Huai Zhang y Alp Sipahigil, Non-Markovian dynamics of a superconducting qubit in a phononic bandgap, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02740-5.
Cortesía de Muy Interesante
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