Un supercorriente diminuta podría desbloquear información cuántica sin destruirla

Uno de los principales desafíos en la computación cuántica es cómo leer información sin modificarla o destruirla. A diferencia de los bits en computadoras convencionales, los qubits son extremadamente sensibles a las mediciones. Intentar determinar su estado puede provocar el colapso de ese estado, borrando la información que se desea recuperar.

Investigadores propusieron una solución a esta dificultad utilizando una señal eléctrica inusual producida por el propio qubit. Su enfoque se centra en un tipo especial conocido como "qubit Andreev", que puede generar una supercorriente eléctrica oscilante a través de su comportamiento cuántico. Al monitorear esta corriente, los científicos podrían determinar el estado del qubit sin medirlo directamente ni perturbar significativamente la información que contiene.

La investigación, respaldada por la FAPESP, fue publicada en Physical Review B Letters. Fue liderada por José Carlos Egues, profesor del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP) en Brasil, y Yugui Yao de la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Beijing en China. Si se confirma experimentalmente, este método podría simplificar la computación cuántica al eliminar la necesidad de qubits adicionales utilizados en ciertas técnicas de medición.

Por qué medir información cuántica es tan difícil

Las computadoras convencionales almacenan información en bits que pueden tener uno de dos valores, 0 o 1. Estos valores pueden ser verificados repetidamente sin alterar la información. Sin embargo, los qubits pueden existir en superposiciones, lo que significa que pueden combinar los estados 0 y 1 de maneras imposibles para los bits convencionales.

Esta capacidad inusual es central para el potencial de la computación cuántica, pero también crea una vulnerabilidad significativa. Los estados cuánticos pueden ser alterados por interacciones con su entorno, incluyendo los instrumentos que los examinan.

Según Egues, "en la formulación convencional de la mecánica cuántica, una medición proyectiva provoca que el sistema asuma uno de los estados asociados con la cantidad medida. Así, si un qubit se ha preparado en una cierta superposición de 0 y 1, su medición directa tiende a destruir esa superposición y, por ende, la información que contenía".

Para minimizar este problema, los físicos desarrollaron técnicas conocidas como "mediciones cuánticas no destructivas" (QND). Muchas de estas técnicas utilizan un sistema cuántico adicional llamado ancilla. En lugar de medir el qubit original directamente, los investigadores transfieren información a la ancilla y miden ese sistema auxiliar.

Aunque efectivas, estas técnicas presentan desventajas prácticas. Los científicos deben preparar los qubits auxiliares, conectarlos a los qubits en estudio, transferir información entre ellos y realizar mediciones repetidas. Estos pasos adicionales requieren tiempo y equipamiento, y la complejidad se vuelve significativa a medida que aumenta el número de qubits.

"Nuestra estrategia es diferente. En lugar de transferir la información a un qubit auxiliar, buscamos obtenerla de una señal producida por el qubit en estudio", señala el investigador.

Un qubit especial que produce su propia señal

La técnica propuesta se basa en las propiedades inusuales de un qubit Andreev. Su nombre rinde homenaje al físico soviético Alexander Andreev (1939-2023), quien identificó un proceso cuántico distintivo en 1964 que ocurre en la interfaz entre materiales normales y superconductores.

Los superconductores son materiales que pueden conducir electricidad sin resistencia eléctrica bajo condiciones adecuadas. En las fronteras que involucran estos materiales, pueden formarse estados cuánticos especiales conocidos como "estados de Andreev". En el sistema estudiado por los investigadores, estos estados están confinados a una región extremadamente pequeña entre dos materiales superconductores.

Estos estados cuánticos pueden representar los valores básicos 0 y 1, así como superposiciones de esos valores, lo que los hace adecuados para almacenar información cuántica.

El aspecto clave del nuevo enfoque es un fenómeno eléctrico llamado "supercorriente". A diferencia de la corriente que fluye a través de conductores eléctricos ordinarios, una supercorriente se mueve sin resistencia.

Los investigadores descubrieron que cuando el qubit Andreev existe en una superposición, la supercorriente desarrolla un componente que oscila con el tiempo. Estas fluctuaciones surgen de la interferencia cuántica entre los diferentes estados que componen la superposición.

Lo crucial es que las oscilaciones no son aleatorias. Su comportamiento contiene información sobre el estado cuántico subyacente del qubit, permitiendo potencialmente a los científicos determinar cuál es ese estado sin medir directamente el qubit.

"Es precisamente esa propiedad la que utilizamos para leer el qubit. Es esa supercorriente la que está en el corazón de nuestra propuesta", señala el investigador.

Cómo una pequeña corriente eléctrica revela información cuántica

Para entender cómo funciona la técnica, es útil considerar cómo los físicos describen el estado de un qubit matemáticamente.

Una representación común es la "esfera de Bloch", un modelo geométrico en el que cada estado puro posible de un solo qubit corresponde a un punto en la superficie de una esfera. Dos ángulos determinan la ubicación de ese punto.

El primer ángulo describe cuánto contribuye cada uno de los dos estados básicos a la superposición. El segundo describe su fase relativa, que especifica cómo se alinean entre sí los componentes cuánticos. Juntas, estas dos mediciones proporcionan la información necesaria para identificar el estado del qubit.

Según la nueva investigación, ambas piezas de información pueden extraerse de la supercorriente. Su componente constante y el tamaño de sus oscilaciones revelan las contribuciones relativas de los dos estados básicos. Mientras tanto, el momento en que comienzan las oscilaciones proporciona información sobre su relación de fase.

"Nuestro estudio mostró que esta información está codificada en la supercorriente misma. La supercorriente tiene un componente constante y un componente fluctuante. El valor del componente constante y la amplitud de la oscilación revelan la proporción de cada estado (0 y 1) en la superposición, y el momento en que comienza esa oscilación revela la relación de fase entre ellos. Así, al medir cómo varía la corriente con el tiempo, es posible reconstruir el estado inicial del qubit", explica Egues.

Esto significa que la corriente eléctrica transporta efectivamente una firma de la información cuántica almacenada en el sistema. Al observar cómo cambia esa firma con el tiempo, los investigadores podrían reconstruir el estado original del qubit.

Una supercorriente que oscila sin voltaje

Otra característica sorprendente del sistema propuesto es que la corriente eléctrica puede oscilar sin un voltaje externo aplicado.

Normalmente, producir una supercorriente oscilante en este tipo de sistema superconductor requiere un voltaje. Este fenómeno familiar se llama "efecto Josephson AC".

Los investigadores predicen algo diferente en su qubit Andreev. Aquí, las oscilaciones de la corriente surgen naturalmente de la evolución cuántica del qubit. No se requiere voltaje externo para generarlas.

"Nuestro sistema genera una supercorriente que varía con el tiempo como una corriente alterna, pero sin voltaje. Es la propia evolución del estado del qubit la que produce esa oscilación", dice Egues.

Este comportamiento es importante porque transforma la actividad cuántica que ocurre a una escala extraordinariamente pequeña en una señal eléctrica detectable. La corriente proporciona una conexión entre el mundo microscópico de los estados cuánticos y los sistemas físicos más grandes que los científicos pueden medir.

Esa conexión es lo que hace posible la técnica de lectura propuesta.

Detectando estados cuánticos con un sensor extremadamente sensible

Los investigadores imaginan colocar el qubit Andreev dentro de un circuito superconductor cerrado, permitiendo que su supercorriente circule continuamente.

Junto al circuito se situaría un SQUID (dispositivo de interferencia cuántica superconductora), un instrumento altamente sensible capaz de detectar campos magnéticos extremadamente débiles.

Siempre que fluya una corriente eléctrica, se produce un campo magnético. Dado que la supercorriente en este sistema oscila, el campo magnético que genera también cambia con el tiempo.

El SQUID cercano podría detectar estas variaciones magnéticas diminutas y usarlas para determinar el comportamiento de la corriente circulante. Dado que la corriente contiene información sobre el estado cuántico del qubit, los investigadores podrían reconstruir ese estado sin medir directamente el qubit.

Egues compara el arreglo con dos brújulas que interactúan a través de un campo magnético.

"Podemos pensar en el qubit como una brújula y el SQUID como otra brújula. La corriente en el circuito produce un campo magnético, y el SQUID 'siente' ese campo. Dado que el acoplamiento entre los dos es muy débil, el efecto del instrumento de medición sobre el qubit tiende a ser muy pequeño".

La débil interacción entre el sensor y el qubit es especialmente importante. Ofrece una forma de recopilar información mientras se minimiza la perturbación que normalmente acompaña a las mediciones cuánticas.

Leyendo información cuántica con casi ninguna perturbación

En la física cuántica, observar un sistema no es necesariamente un proceso inofensivo. Un instrumento de medición interactúa con lo que intenta medir, y esa interacción puede cambiar el comportamiento del sistema.

Esta dificultad fundamental desconcertó a los primeros investigadores que estudiaban la mecánica cuántica. Sigue siendo una característica inevitable de las mediciones cuánticas en la actualidad.

La técnica propuesta no elimina este efecto por completo. El SQUID aún interactúa con el circuito, creando una pequeña cantidad de retroalimentación que puede influir en el qubit. Sin embargo, las simulaciones del equipo sugieren que esta perturbación puede reducirse a un nivel tan pequeño que se vuelve efectivamente despreciable.

"Nuestro método no elimina el problema fundamental de la medición cuántica. Pero puede acercarse al límite de una lectura no destructiva y, al mismo tiempo, evitar el uso de qubits auxiliares, las ancillas, empleadas en otros protocolos de medición cuántica no destructiva", señala Egues.

El enfoque también podría eliminar otra complicación presente en algunas técnicas existentes. Dado que los investigadores no necesitarían restaurar el qubit a su estado original después de cada medición, podrían realizar observaciones repetidas a medida que el estado cambia.

Esto permitiría a los científicos seguir la evolución cuántica del qubit a lo largo del tiempo, en lugar de obtener información solo a través de ciclos de medición y reinicio separados.

Simulaciones logran hasta un 99,85% de precisión

Para investigar si el método podría funcionar fuera de condiciones teóricas ideales, los investigadores realizaron simulaciones por computadora diseñadas para tener en cuenta las imperfecciones que surgirían en experimentos reales.

Estos cálculos incluyeron ruido de medición, así como la pequeña cantidad de retroalimentación introducida por la bobina de detección. El objetivo era determinar si el estado del qubit aún podría reconstruirse con precisión a pesar de estas perturbaciones.

Los resultados fueron alentadores. Dependiendo del número de mediciones utilizadas, las simulaciones produjeron precisiones del 99,52%, 99,81% y 99,85%.

Según los investigadores, estos valores se encuentran dentro de los umbrales estándar utilizados en los esquemas de corrección de errores cuánticos, que están diseñados para gestionar errores en el procesamiento de información cuántica.

Los hallazgos sugieren que el método podría proporcionar una reconstrucción de estado cuántico altamente precisa sin la complejidad adicional de qubits auxiliares.

Sin embargo, la técnica aún no ha sido demostrada experimentalmente. Los resultados provienen completamente de análisis teóricos y simulaciones por computadora, por lo que los investigadores aún deben establecer si un dispositivo físico puede lograr un rendimiento comparable.

¿Podría esto simplificar las computadoras cuánticas?

A pesar de la falta de confirmación experimental, los investigadores enfatizan que su propuesta no depende de tecnologías que aún no se han inventado.

Los cálculos utilizan propiedades realistas extraídas de sistemas cuánticos existentes, y los sensores SQUID ya son herramientas establecidas para detectar campos magnéticos y corrientes eléctricas excepcionalmente débiles.

Lo que queda por construir es el arreglo específico de componentes requerido para implementar la técnica de medición propuesta.

"Todos los números que utilizamos son realistas. En principio, esto puede lograrse. De hecho, utilizamos parámetros de sistemas existentes en nuestros cálculos. Lo que no existe aún es esa geometría, ese montaje que propusimos", argumenta.

Esto hace que el enfoque sea diferente de los conceptos teóricos que no pueden realizarse hasta que los científicos desarrollen materiales o técnicas de fabricación completamente nuevos. En principio, los componentes necesarios ya existen, aunque ensamblarlos en la configuración propuesta y demostrar el comportamiento previsto siguen siendo desafíos importantes.

La investigación ofrece dos avances potencialmente significativos.

Desde el punto de vista de la física fundamental, predice que un qubit puede producir una supercorriente oscilante que se asemeja al efecto Josephson AC, pero sin requerir un voltaje externo. En su lugar, las oscilaciones surgen de la propia evolución cuántica coherente del qubit.

Desde una perspectiva tecnológica, el estudio muestra cómo esas oscilaciones podrían servir como una firma medible del estado interno del qubit. Al analizar la corriente eléctrica, los investigadores podrían recuperar información cuántica mientras causan muy poca perturbación al sistema.

Si los experimentos futuros confirman estas predicciones, el método podría hacer que la lectura de qubits Andreev sea sustancialmente más simple. Eliminar qubits auxiliares y reinicios repetidos podría reducir el equipo y los procedimientos necesarios para recuperar información cuántica.

Más fundamentalmente, el trabajo apunta hacia una posibilidad intrigante: la información oculta en el mundo cuántico microscópico podría ser accesible a través de una corriente eléctrica producida por el propio sistema cuántico, ofreciendo una nueva forma prometedora de observar estados cuánticos delicados sin destruirlos.