Logran por primera vez leer la información almacenada en uno de los cúbits cuánticos más esquivos

La carrera para conseguir ordenadores cuánticos fiables está llena de obstáculos, y uno de los más difíciles está relacionado con los prometedores, pero esquivos, cúbits de Majorana. Se trata de bits cuánticos que están protegidos topológicamente, lo que les hace ser más estables, rápidos y compactos que otros pero, a la vez, más difíciles de leer.

Ahora, un trabajo internacional con participación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y publicado en Nature ha logrado leer de forma fiable la información almacenada en dichos bits cuánticos. El logro se ha conseguido en el marco de una colaboración europea que ha contado con financiación, entre otras, del proyecto QuKIt financiado con una ayuda Pathfinder del Consejo Europeo de Innovación.

"Se trata de un avance crucial", explica Ramón Aguado, investigador del CSIC en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) y uno de los autores seniors del estudio. "Nuestro trabajo es pionero porque demostramos que podemos conocer la información almacenada en los cúbits de Majorana con una nueva técnica denominada capacitancia cuántica (quantum capacitance, en inglés)", continúa el científico, que detalla que esta técnica "actúa como una sonda global sensible al estado conjunto del sistema".

Cómo leer un cúbit que no está en ningún sitio

Los cúbits de Majorana son un tipo de cúbit topológico, es decir, el lugar donde se almacena la información cuántica. Aguado explica que lo que los hace especiales es que estos no guardan la información en un punto concreto, sino que la distribuyen "en un par de estados especiales, los conocidos como modos cero de Majorana".

Esta característica es la que los hace tan valiosos para los ordenadores cuánticos: "Son intrínsecamente robustos contra el ruido local que produce decoherencia (distorsiones en el procesado de la información), ya que, para corromper la información, un fallo tendría que afectar al sistema globalmente". Sin embargo, "esta misma virtud se ha convertido en su talón de Aquiles experimental: ¿cómo se lee o detecta una propiedad que no reside en ningún punto concreto?", comenta.

Para lograrlo, el equipo ha creado una nanoestructura modular de pequeñas piezas —como si jugaran con Lego— llamada cadena mínima de Kitaev. Esta estructura funciona como un puente superconductor que conecta dos puntos cuánticos semiconductores. Al unirlos, la información se divide y se protege en los extremos del puente.

Finalmente, si se logra que esas dos mitades se mantengan estables y guarden información juntas, se habrá creado un cúbit de Majorana. "En vez de actuar a ciegas sobre una combinación de materiales, como en experimentos previos, lo creamos bottom-up (de abajo a arriba) y somos capaces de generar modos de Majorana de manera controlada, lo que de hecho es la idea principal de nuestro proyecto QuKit".

De construir el cúbit a poder leerlo

Una vez creada la cadena mínima de Kitaev, y mediante la sonda de Quantum Capacitance, se ha logrado, por primera vez, discriminar en tiempo real y en una sola medida si el estado cuántico no local que forman los dos modos de Majorana es par o impar. Esto significa detectar si el sistema está 'lleno' (1) o 'vacío' (0), lo que se considera la base del cúbit.

"El experimento confirma de forma elegante el principio de protección: mientras las mediciones locales de carga son ciegas a esta información, la sonda global la revela con claridad", celebra el investigador Gorm Steffensen, también del ICMM-CSIC y uno de los primeros autores del estudio.

Otro avance clave del experimento es la observación de 'saltos aleatorios de paridad' que muestran cómo el sistema cambia de estado —de lleno (1) a vacío (0) ­— debido a pequeñas interferencias externas.

Esto permitió medir una coherencia de paridad (tiempo que el sistema mantiene su estado de forma estable) superior al milisegundo: "Un valor que representa la antesala inmediata a la primera operación coherente de un cúbit basado en modos de Majorana", señalan Aguado y Steffensen.

Este estudio combina una novedosa metodología experimental, desarrollada principalmente en la Delft University of Technology, con la contribución teórica del grupo del ICMM-CSIC. Aguado explica que la aportación teórica del CSIC ha sido "crucial para entender este experimento tan sofisticado".

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