Aunque suene contraintuitivo para la mente humana, acostumbrada al mundo macroscópico y sus leyes, las partículas atómicas pueden estar en dos estados a la vez. Es lo que el físico austriaco Erwin Schrödinger intentó explicar con su famosa paradoja mental: un gato en una caja puede estar simultáneamente vivo y muerto. Esta propiedad se conoce como superposición de estados y es un principio fundamental de la computación cuántica. Sin embargo, es muy frágil y se mantiene solo durante milisegundos en unas condiciones extremas de aislamiento y frío. El equipo de Zheng-Tian Lu en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China asegura en un estudio publicado en Arxviv (un repositorio abierto de investigaciones) haber batido todos los récords hasta ahora al mantener la superposición cuántica estable durante 23 minutos.
Según explica Alberto Casas, profesor de Investigación del CSIC en el Instituto de Física Teórica (CSIC-UAM) y autor de La revolución cuántica (Ediciones B, 2022), “en nuestra vida común, estamos acostumbrados a que los objetos ocupen una posición y solo una”. “Sin embargo”, añade, “la física cuántica permite que un electrón esté en una superposición de estados y, mientras no midamos la posición, convivirán dos realidades. Esto está comprobado experimentalmente hasta la saciedad. En el mundo macroscópico no lo vemos, pero en el microscópico, está más que probado”.
Esta propiedad es fundamental en computación cuántica. Un ordenador clásico funciona manipulando bits, es decir, secuencias de ceros y unos. En contraste, el elemento básico de la computación más avanzada es el cúbit, una superposición arbitraria de los estados cero y uno. De esta forma, si un superordenador actual puede hacer millones de operaciones con bites (el Summit de IBM es capaz de procesar más de 200.000 millones de cálculos por segundo), uno cuántico puede ejecutar trillones gracias al aumento exponencial de su capacidad.
Pero estas superposiciones son muy sensibles. Los mismos átomos que forman el ordenador no pueden estar perfectamente quietos, lo que induce a perturbaciones (ruido) que se intentan reducir enfriando los sistemas a una temperatura cercana al cero absoluto (-273 ºC). Además, cualquier interacción con el entorno degrada la superposición hasta hacerla inútil, un efecto conocido como decoherencia.
La fragilidad de la virtud cuántica hace que la superposición de estados se mantenga solo durante milisegundos. Hasta ahora. Los investigadores chinos afirman haber conseguido mantenerla estables los estados del gato de Schrödinger, como ellos mismos titulan la investigación publicada, durante 1.400 segundos, unos 23 minutos que suponen el récord absoluto de coherencia.
El experimento ha utilizado átomos de iterbio en una trampa óptica, una combinación de láseres que conforman una red de fuerzas electromagnéticas donde quedan confinadas las partículas disminuyendo su velocidad y su temperatura hasta casi el cero absoluto.
Barry Sanders, físico de la Universidad de Calgary (Canadá) y ajeno al estudio, considera el experimento un logro significativo por el tiempo alcanzado para mantener un sistema estable, según declara a NewScientist en la información sobre el estudio. “Podría usarse para detectar y estudiar fuerzas sutiles o para sondear efectos nuevos y exóticos en física fundamental, aportando datos más allá de un solo instante, capturando efectos que ocurren tanto muy rápido como más lentamente”, explica Sanders.
En el mismo sentido se pronuncian los siete autores del estudio, que consideran el experimento “una ruta prometedora para mejorar la precisión en las mediciones físicas” y una puerta a que “las incertidumbres de medición se sitúen por debajo del límite cuántico estándar”.
El teorema o principio de la incertidumbre establece, según explica Casas, que “hay magnitudes físicas que no podemos conocer de manera simultánea, como la posición y la velocidad de una partícula. Al medir la posición, se perturba la velocidad y es imposible conocer ambas a la vez”. “Pero la cosa es más profunda”, añade, “lo que dice el principio es que la partícula no puede tener definida al mismo tiempo la posición y la velocidad. Si está bien definida una, no puede estarlo la otra”.
“La física impone límites a los experimentos y, especialmente, a la medición de precisión”, explica John Robinson, físico de la compañía de computación cuántica QuEra, al MIT Tecnology Review.
Los autores del estudio sostienen que, además de llevar al límite las mediciones, el sistema se puede aplicar a la memoria cuántica y proporcionar así la redundancia necesaria para las correcciones de errores, uno de los mayores desafíos de la computación fundamentada en esta física, y los cálculos.
Es la carrera fundamental de esta tecnología: conseguir funcionamientos fiables sin rozar el cero absoluto de temperatura, tiempos de funcionamiento más prolongados y menores tasas de error.
Los errores son, por ahora, inevitables por las características de la física cuántica. Sin embargo, su mitigación o corrección mediante sistemas de control de las perturbaciones o aplicando fórmulas a los resultados que subsanen los fallos empiezan a dar sus frutos. Un equipo de investigadores de Google asegura haber alcanzado un avance significativo en la corrección de errores cuánticos en un artículo también publicado en ArXiv.
Los científicos aseguran haber logrado tasas de fallos por debajo del umbral crítico necesario para una corrección efectiva de errores cuánticos, algo que consideran un paso fundamental hacia la computación cuántica escalable y tolerante a fallos.