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Unos científicos de la Universidad Aalto de Finlandia afirman haber eludido el Principio de Incertidumbre de Heisenberg que sustenta -o socava- todos los experimentos de mecánica cuántica, en una nueva investigación. El secreto es un instrumento llamado bolómetro, y su uso podría ayudar a los científicos que siguen trabajando en ordenadores cuánticos basados en qubits.
El Grupo de Computación Cuántica (QCG) de Aalto fue noticia anteriormente en 2019 al establecer que los bolómetros podrían usarse para medir el rendimiento en la computación cuántica. Esta nueva investigación del grupo muestra además que estos "nano bolómetros" también evitan el ruido introducido en las mediciones cuánticas por otros métodos.
Pero, ¿qué es un bolómetro? ¿Y qué es ese ruido?
A nivel de partículas, la unidad de la informática cuántica es el qubit. Imita el tradicional interruptor de encendido y apagado basado en la electricidad de los bits de nuestros ordenadores, pero muestra comportamientos cuánticos como la superposición. Medir la computación tradicional es sencillo, porque la electricidad a través de semiconductores, resistencias y cables conductores es bastante tenue. En otras palabras, hay menos ruido: lo que se mide no se mueve y hace que los datos sean menos fiables y coherentes.
En cambio, medir el rendimiento de los qubits es difícil incluso si se hace de la forma más sencilla. Esto se debe al Principio de Incertidumbre de Heisenberg, que nos dice que observar un sistema cuántico hace que se comporte de forma diferente. En este caso, ese nuevo comportamiento genera ruido.
Reducir el ruido es un proyecto de gran envergadura en la computación cuántica, en gran parte porque, hasta ahora, estos sistemas dependen en gran medida de discusiones abstractas y teóricas en lugar de mediciones que los científicos puedan comparar entre sí. Incluso la cantidad de ruido es difícil de predecir. Así que, para combatirlo, los investigadores han probado diferentes cosas, como "exprimir" el ruido hasta el fondo en una variable para que la otra se mantenga más fiel, utilizando un amplificador paramétrico.
En su nuevo artículo revisado en Nature Electronics, los investigadores de la Universidad de Aalto explican los límites de este método. "Los amplificadores paramétricos", escriben, "pueden ofrecer alta ganancia y bajo ruido, pero introducen retos en términos de escalado a un gran número de qubits". Y estos amplificadores siguen perpetuando el ruido del propio Principio de Incertidumbre de Heisenberg, que se ha considerado un objeto inamovible en la lucha contra el ruido, hasta que este equipo decidió probar con un bolómetro.
Un bolómetro es un instrumento que utiliza una resistencia para captar y acumular calor. Fue inventado por Samuel Langley, antiguo secretario del Smithsonian y contemporáneo de los hermanos Wright, que ayudaron a sentar las bases del éxito de los aviones. Y es bastante sencillo: una cámara de temperatura controlada en un lado está sellada con una cubierta hecha de una resistencia, como el metal, que cambia en respuesta a la temperatura. La diferencia entre ambos lados puede medirse. Hoy en día, los científicos ni siquiera utilizan metal. En su lugar, utilizan materiales superconductores que se enfrían hasta casi el cero absoluto, para poder medir hasta el más mínimo cambio.
Los bolómetros, en este caso nanobolómetros, "han demostrado ser lo suficientemente rápidos y sensibles para la lectura de qubits superconductores, alcanzando constantes de tiempo térmicas en el rango de cientos de nanosegundos y una resolución energética de unos pocos fotones de microondas típicos", explican los investigadores en su artículo. Y como los nanobolómetros no amplifican nada y funcionan en el vacío, evitan por completo el ruido de Heisenberg añadido.
Ajustándolos con cuidado, los investigadores redujeron el ruido hasta que sus mediciones fueron lo menos ruidosas posible. Este proceso funciona en sistemas con muchos qubits, lo que es esencial para que los ordenadores cuánticos "escalen" desde literalmente un puñado hasta el número suficiente para constituir un ordenador utilizable. Y los nanobolómetros, concluyeron, son "relativamente sencillos de fabricar y manejar". Y ni siquiera utilizaron los bolómetros más modernos, lo que deja margen para que el próximo grupo de investigación (o la próxima cohorte del QCG) itere con nanobolómetros mejores, más rápidos y más potentes.
"Por ejemplo, podemos cambiar el material del bolómetro de metal a grafeno, que tiene una menor capacidad calorífica y puede detectar con rapidez cambios muy pequeños en su energía", explica en un comunicado el investigador András Gunyhó. "Y al eliminar otros componentes innecesarios, podemos conseguir un dispositivo de medición más pequeño y sencillo que hace más factible el escalado a mayores recuentos de qubits".
Gunyhó afirma que con los materiales avanzados adecuados se podría pasar del 92,7 por ciento de fidelidad de las mediciones de este equipo al 99,9 por ciento, algo que en su día fue una quimera, pero que por fin está a nuestro alcance.
Caroline Delbert is a writer, avid reader, and contributing editor at Pop Mech. She's also an enthusiast of just about everything. Her favorite topics include nuclear energy, cosmology, math of everyday things, and the philosophy of it all.
