Francis en TrendingCiencia: Cifrado cuántico desde un avión a 300 km/h

Dibujo20130407 overview classical communication system between airplane and telescope

Mi nuevo podcast en Trending Ciencia ya está disponible. Si te apetece escuchar el audio, sigue este enlace. Como siempre una transcripción.

Mi nueva noticia de Física es sobre computación cuántica; en concreto, sobre cifrado cuántico, también llamado criptografía cuántica. Físicos de la Agencia Espacial Alemana (conocida por sus siglas en alemán DLR) y de la Universidad de Ludwig Maximilians en Múnich (conocida por sus siglas LMU), han logrado ejecutar el protocolo cuántico de distribución de claves llamado BB84 desde un avión moviéndose a 290 km/h hasta una estación receptora en tierra situada a unos 20 km de distancia. ¡Increíble!

Sebastian Nauerth (del LMU) y sus colegas han publicado su logro el 31 de marzo en la revista Nature Photonics. El artículo técnico es Sebastian Nauerth, Florian Moll, Markus Rau, Christian Fuchs, Joachim Horwath, Stefan Frick & Harald Weinfurter, “Air-to-ground quantum communication,” Nature Photonics, AOP 31 Mar 2013. También recomiendo leer a Hamish Johnston, “Quantum signal sent from aircraft,” Physics World, Apr 5, 2013; y a John Timmer, “Quantum encryption keys obtained from a moving plane. A technical demonstration shows that an exchange with satellites is possible,” Ars Technica, Apr 2 2013.

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La empresa D-Wave inventa la espectroscopia túnel para verificar que sus ordenadores son cuánticos

Dibujo20130316 D-Wave computer qubits

La compañía canadiense D-Wave afirma que ha fabricado un ordenador cuántico de 512 cubits, que se pondrá a la venta durante este año y que ejecuta ciertos algoritmos con cientos de bits unas diez mil veces más rápido que su análogo clásico. El ordenador utiliza la llamada computación cuántica adiabática. Muchas voces han criticado a D-Wave por no demostrar de forma rigurosa el funcionamiento cuántico de sus ordenadores. Los científicos de D-Wave han desarrollado una nueva técnica para verificarlo, llamada espectroscopía túnel, que han publicado en Physical Review B. En una conferencia en Londres el pasado 6 de marzo han afirmado que dicha técnica ha sido aplicada a grupos de hasta 8 cubits de su ordenador “cuántico” demostrando que se comportan de forma cuántica durante la ejecución de sus algoritmos. Los resultados aún no han sido publicados. Obviamente, no es lo mismo demostrar el comportamiento cuántico de 8 cubits en un ordenador de 512 cubits, que hacerlo con todos los 512 cubits, pero se trata de un paso importante cuyo objetivo es acallar a la mayoría de las voces críticas. D-Wave tiene financiación de grandes empresas, como Google, y su objetivo es la vía rápida de los inventores (construir un prototipo y demostrar que funciona), en lugar de la línea lenta de los científicos (estudiar el diseño apropiado antes de construir nada). Me enteré de la conferencia en Londres gracias a Jacob Aron, “Controversial quantum computer aces entanglement tests,” NewScientist, 08 March 2013. El artículo técnico que describe la técnica de espectroscopia túnel es A. J. Berkley et al., “Tunneling spectroscopy using a probe qubit,” Phys. Rev. B 87: 020502(R), 2013 [arXiv:1210.6310]. No me he hecho eco antes de este trabajo pues esperaba la publicación de los resultados de la aplicación de esta nueva técnica, pero por lo que parece se van a retrasar (aún no hay fecha, que yo sepa).

Más sobre D-Wave en este blog:

El ordenador “cuántico” canadiense de 128 cubits de D-Wave Systems (25 marzo 2012)

Por primera vez en la historia se vende un ordenador cuántico “D-Wave One” (6 junio 2011)

Inaudito, D-Wave Systems logra publicar un artículo en Nature (13 mayo 2011)

Tras Orion, Rainier, un ordenador cuántico adiabático de D-Wave Systems de 128 cubits (18 mayo 2009)

Cálculo eficiente del permanente de una matriz mediante computación cuántica

Dibujo20130215 classical vs quantum random walk with photons

El permanente de una matriz cuadrada N×N se define como el determinante, pero sin alternar los signos de los factores. No hay ningún algoritmo clásico eficiente para calcular el permanente de una matriz general (aunque hay algoritmos de coste polinómico para ciertos tipos de matrices). Se publica en Science un algoritmo cuántico eficiente para calcular el permanente de una matriz que utiliza un ordenador cuántico analógico basado en caminos aleatorios. La matriz se define mediante el acoplo de N guías ópticas coplanares, fabricadas en la superficie de un chip, que son recorridas por fotones acoplados entre sí por las fuerzas de intercambio (las que resultan de la simetría de la función de onda asociada a que son partículas indistinguibles). Midiendo la probabilidad de encontrar un fotón a la salida de las guías se puede calcular el valor del permanente de la matriz. Más aún, la computación cuántica con caminos aleatorios es universal, permite simular cualquier ordenador cuántico basado en puertas lógicas, aunque se requiere un polinomio de grado doce en el número de cubits, como también se publica hoy en Science, lo que lo hace eficiente, pero no práctico. Nos lo cuenta James D. Franson, “Beating Classical Computing Without a Quantum Computer,” Science 339: 767-768, 15 Feb 2013, que se hace eco de los artículos de Matthew A. Broome et al., “Photonic Boson Sampling in a Tunable Circuit,” Science 339: 794-798, 15 Feb 2013, Andrew M. Childs et al., “Universal Computation by Multiparticle Quantum Walk,” Science 339: 791-794, 15 Feb 2013, y Justin B. Spring et al., “Boson Sampling on a Photonic Chip,” Science 339: 798-801, 15 Feb 2013.

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Logran teletransportar el estado cuántico de cien millones de átomos de rubidio

Trozo del esquema del experimento. Click para verlo ampliado y completo.

Físicos chinos han logrado teletransportar el estado (la información cuántica) de un conjunto de unos 100 millones de átomos de rubidio a otro conjunto similar en una distancia de 150 metros; para ello han utlizando fotones entrelazados enviados a través de una fibra óptica. Por supuesto, este experimento no tiene nada que ver con el teletransporte de objetos tipo Star Trek y similares. El logro de Xiao-Hui Bao y sus colegas podría tener aplicaciones en el campo de las redes de comunicación basadas en información cuántica, para el desarrollo de sistemas de enrutado (routers) que requieren almacenar el estado cuántico de un conjunto de cubits sin que haya una demolición previa de su estado. La tasa de éxito alcanzada en el nuevo artículo es de solo un 88%, por lo que todavía se esperan grandes mejoras en el futuro. Nos lo ha contado KFC, “First Teleportation from One Macroscopic Object to Another,” The Physics arXiv Blog, November 15, 2012, quien se hace eco del artículo técnico de Xiao-Hui Bao et al., “Quantum teleportation between remote atomic-ensemble quantum memories,” PNAS, Published online before print, Nov 9, 2012 [arXiv:1211.2892].

Por primera vez se logra entrelazar un fotón al espín de un electrón confinado en un punto cuántico

Un punto cuántico es un sistema capaz de confinar electrones entre dos semiconductores (que forman parte de una nanoestructura). Un electrón confinado en un punto cuántico tiene niveles de energía similares a los que tienen los electrones en los átomos sin necesidad de que exista un campo electromagnético externo. Para muchas aplicaciones en computación e información cuánticas sería muy interesante poder entrelazar el estado cuántico de un fotón con el espín de un electrón atrapado en un punto cuántico. De Greve et al. y Gao et al. lo han logrado aprovechando que los puntos cuánticos son ópticamente activos. Han utilizado la técnica llamada bombeo óptico (optical pumping) que permite preparar el espín del electrón en un estado dado, sea |↓> o |↑>, así como conmutar entre ambos estados; utilizando un nuevo fotón de frecuencia y duración apropiada se logra excitar el electrón a un nivel energético superior; cuando el electrón se relaja y decae en uno de los dos estados anteriores, |↓> o |↑>, emite simultáneamente un fotón con una frecuencia dada (sea azul para |↓> y rojo para |↑>). Lo curioso es que el fotón se emite con una polarización diferente según el color, el fotón azul está polarizado horizontalmente y el rojo verticalmente. Gracias a ello el estado cuántico del fotón (tanto su polarización como su frecuencia o color) queda entrelazado con el espín del electrón; medir el espín del electrón permite conocer la polarización y el color del fotón, y viceversa, midiendo el fotón se conoce el estado del espín. De Greve et al. y Gao et al. han ideado sendos procedimientos para eliminar el entrelazamiento con la polarización y dejar solo el de la frecuencia, más útil en aplicaciones prácticas. El objetivo futuro será poder entrelazar múltiples electrones en puntos cuánticos separados espacialmente realizando operaciones cuánticas con los fotones con los que cada uno está entrelazado por separado, pues las operaciones cuánticas con fotones son más fáciles de implementar; lograrlo tendría aplicaciones muy interesantes en computación cuántica. Nos lo cuenta Sophia E. Economou, “Quantum physics: Putting a spin on photon entanglement,” Nature 491: 343–344, 15 November 2012, que se eco de los artículos técnicos de Kristiaan De Greve et al., “Quantum-dot spin–photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength,” Nature 491: 421–425, 15 November 2012, y W. B. Gao et al., “Observation of entanglement between a quantum dot spin and a single photon,” Nature 491: 426–430, 15 November 2012.

 

El control activo de la decoherencia cuántica

Mantener un cubit estable durante un tiempo indefinido parece imposible, ya que la decoherencia cuántica destruye su estado. ¿Se puede controlar la decoherencia? En 2002 se propuso un esquema teórico para controlar la decoherencia mediante un bucle realimentado continuo utilizando medidas débiles. Se publica en Nature la primera implementación experimental de dicho esquema. Un cubit superconductor acoplado a una cavidad óptica de microondas, que sin control sufre la decoherencia en pocos microsegundos, gracias al control realimentado logra mantener su estado durante al menos 20 milisegundos (unas 10000 actuaciones del control); por cuestiones técnicas no se ha podido medir el cubit durante un tiempo más largo, aunque los autores del artículo afirman que la teoría predice que su método podría haber logrado controlar el cubit durante un tiempo casi indefinido. Aunque quizás son muy optimistas, este nuevo resultado es un gran avance en el campo de los computadores cuánticos. Nos lo cuenta Howard M. Wiseman, “Quantum physics: Cruise control for a qubit,” Nature 490: 43–44 (04 October 2012), que se hace eco del artículo técnico de R. Vijay et al., “Stabilizing Rabi oscillations in a superconducting qubit using quantum feedback,” Nature 490: 77–80 (04 October 2012) [arXiv:1205.5591].

La idea del control realimentado se ilustra en la figura que abre esta entrada. Imagina que tienes que conducir un coche en un juego de ordenador por una pista de carreras circular de tal forma que des una vuelta al circuito cada minuto. Hay un gran reloj en el centro de la pista que te marca el tiempo. ¿Cómo lo harías? Lo más obvio sería tratar de mantener la velocidad del coche para que fuera justo al lado del lugar apuntado por la manilla (o aguja) del reloj. Si vas un poquito por detrás, pisarás el acelerador, pero si la adelantas, pisarás el freno (o desacelerarás). Este proceso se llama control realimentado continuo.

Vijay et al. han utilizado esta idea para controlar un cubit superconductor de estado sólido (un diodo Josephson) acoplado a una cavidad de microondas tridimensional. Aplicando un campo de microondas a cierta frecuencia (que actuará como reloj) se puede lograr que el cubit “resuene” al ritmo de dicho campo. La decoherencia cuántica (debida a cualquier fluctuación del sistema cuántico) hace que el cubit se desacople del reloj y se ponga a oscilar a un ritmo impredecible, lo que provoca la medida accidental y el correspondiente colapso de su estado. Gracias al sistema de control realimentado, basado en una medida débil continua del estado del cubit y la aplicación adecuada de fotones de microondas a mayor frecuencia, se puede conseguir que el cubit resuene con el reloj y mantenga su estado por un tiempo casi indefinido (según los autores). Obviamente, la eficiencia del control no es del 100% y los experimentos solo han alcanzado el éxito en un 50% de los casos.

El cubit utilizado en este experimento se denomina transmón. A muy baja temperatura este cubit superconductor presenta solo dos estados cuánticos, el fundamental y el primer estado excitado. Dentro de la cavidad de microondas, el cubit puede entrar en resonancia con un campo externo aplicado, apareciendo a la salida de la cavidad las llamadas oscilaciones de Rabi, que pueden ser utilizadas para realizar una medida débil del estado del cubit. Esta salida (OUT) de la cavidad es enviada a una serie de amplificadores que se utilizan como entrada del sistema de control realimentado. Para la actuación sobre el cubit se utilizan fotones de alta frecuencia que son introducidos en la cavidad resonante uno a uno por la entrada (IN). La aplicación adecuada de estos pulsos (los detalles técnicos que determinan cómo hay que hacerlo están más allá del objetivo de esta entrada) permite salvar al cubit de la decoherencia, manteniendo su estado de forma prácticamente indefinida. Este hecho se ha demostrado gracias a las mismas oscilaciones de Rabi. El acuerdo entre las medidas experimentales y las predicciones teóricas (obtenidas mediante simulación numérica) es excelente.

Según los autores, este esquema de control activo de la decoherencia cuántica podría permitir mantener el cubit en su estado durante un tiempo casi indefinido. Obviamente, no basta con tener un cubit para lograr un computador cuántico, además hay que entrelazar varios cubits. Los autores afirman que la tecnología que han utilizado se puede extender a un registro de varios cubits entrelazados (lo que requerirá varios años de estudios y experimentos). En su caso, el control activo podría ser una alternativa práctica a las técnicas de corrección de errores, hasta ahora la única manera de combatir la decoherencia. Habrá que estar al loro de estos avances, en apariencia muy prometedores.

Gran avance en memorias cuánticas para almacenar cubits con el espín nuclear

Un cristal de diamante  ultrapuro, con una molécula de carbono 13 por cada millón de átomos de carbono 12, podría almacenar un cubit (bit cuántico) durante 24 horas a temperatura ambiente, según un modelo teórico publicado hoy en Science. Los autores han verificado su modelo mediante un experimento que ha logrado almacenar un cubit durante tres segundos tiempo uso de un cristal de diamante con un átomo de carbono 13 por cada cien átomos de carbono 12 (tres segundos es unas mil veces el récord anterior a temperatura ambiente). Más aún, en el mismo número de Science se ha publicado el almacenamiento de un cubit durante tres minutos (180 segundos) en una memoria cuántica basada en silicio (el cubit se ha almacenado en el espín nuclear de una impureza de fósforo), pero enfriado a 4,2 K. Estos dos grandes avances en el desarrollo de memorias cuánticas basadas en el espín nuclear coloca a estas técnicas en un camino envidiable hacia el desarrollo de un futuro ordenador cuántico de utilidad práctica. Nos lo han contado Christoph Boehme, Dane R. McCamey, “Nuclear-Spin Quantum Memory Poised to Take the Lead,” Perspective, Science 336: 1239-1240, 8 June 2012, quienes se hacen eco de los artículos técnicos de M. Steger et al., “Quantum Information Storage for over 180 s Using Donor Spins in a 28Si “Semiconductor Vacuum”,” Science 336: 1280-1283, 8 June 2012, y P. C. Maurer et al., “Room-Temperature Quantum Bit Memory Exceeding One Second,” Science 336: 1283-1286, 8 June 2012.

Cada cubit de la memoria de un computador cuántico tiene que cumplir dos objetivos contradictorios, por un lado, debe estar aislado del entorno para evitar que la decoherencia cuántica destruya su estado y, por otro lado, debe poder interaccionar con otros sistemas cuánticos para que se pueda leer y/o escribir dicho estado. Parece imposible lograrlo, pero hay un truco obvio, almacenar el cubit en dos sistemas cuánticos bien separados, uno que esté bien aislado y permita un almacenamiento durante mucho tiempo, y otro que sea de fácil acceso. Las memorias cuánticas de estado sólido cumplen con este requisito: utilizan el espín nuclear para almacenar los cubits de forma “permanente” y que acoplan, gracias a la llamada interacción hiperfina, dicho espín al de un electrón con el que se puede interaccionar mediante técnicas ópticas con rapidez y eficacia. Maurer y sus colegas han utilizado átomos de carbono 13 aislados en un diamante de carbono 12 ultrapuro a temperatura ambiente (figura de arriba). Steger y sus colegas han utilizado átomos de fósforo 31 aislados en un bloque de silicio 29 ultrapuro como cubits a temperaturas criogénicas (figura de abajo). Ambas técnicas son muy prometedoras, pero a mí me ha gustado más el trabajo de los primeros, que incluye en la información suplementaria de su artículo un análisis teórico riguroso que permite extrapolar sus conclusiones al caso de que se pudiera purificar el diamante utilizado; si su modelo se puede es extrapolar permite afirmar que podrán alcanzar duraciones de almacenamiento de un cubit de muchas horas, incluso hasta un día (24 horas). Por supuesto, su análisis teórico es optimista (quizás demasiado optimista), pero si se confirma será un paso de gigante en dirección hacia la fabricación de ordenadores cuánticos de utilidad práctica.

 

Un diamante, el mejor amigo de una mujer, especialmente si es ingeniera en ordenadores cuánticos

Ya os conté en “Un diamante, el mejor amigo de una mujer y de un científico,” que el diamante parece que será para los ordenadores cuánticos lo que el silicio ha sido para los clásicos. Una impureza de nitrógeno en un diamante puede comportarse como un cubit (tanto usando el espín de su núcleo N-14, como el espín de su electrón), o incluso como dos cubits (usando simultáneamente ambos, como muestra la figura de arriba). Esto ya se publicó en Science en 2006. Ahora se publica en Nature la implementación de una puerta cuántica CNOT (NO-controlado; ver figura de abajo) capaz de funcionar durante 120 μs, que puede parecer poco tiempo pero es el doble del tiempo estimado de decoherencia cuántica; el gran logro del artículo ha sido ese, vencer a la decoherencia cuántica. Quizás te parezca un logro menor, pero es la primera implementación de una puerta CNOT capaz de funcionar durante 0,12 ms (un tiempo enorme desde el punto de vista de los ordenadores cuánticos). Por ello, este logro ha merecido publicarse en Nature; el artículo técnico es T. van der Sar et al.,Decoherence-protected quantum gates for a hybrid solid-state spin register,” Nature 484: 82–86 (05 April 2012) [ArXiv:1202.4379].

Para demostrar que su diseño funciona, los autores han implementado un par de algoritmos cuánticos. El más interesante es el algoritmo cuántico de búsqueda Grover. Te recuerdo que este algoritmo puede encontrar un bit en un registro de L bits en un número de pasos O(√L), cuando un algoritmo clásico requiere O(L) pasos. El registro de L bits se almacena con m cubits (con 2m ≥ L). Los autores del artículo han implementado el algoritmo para L=4 con m=2 cubits (ver figura de abajo). En solo dos pasos este algoritmo es capaz de encontrar la posición del primer 1 en una secuencia de bits entre 0000, 0001, 0010, …, 1111. La ejecución del algoritmo ha requerido 322 μs, con una fidelidad mayor del 91% (depende de la secuencia del registro bits y en algunos casos se alcanza una fidelidad mayor del 95%). Hay que recordar que esto es habitual en todos los algoritmos cuánticos, nunca logran una fidelidad del 100%.

En resumen, no quiero engañar a nadie, este gran logro en computación cuántica ha recibido el premio de ser publicado en Nature cuando la parte más importante (el cubit en diamante) ya se publicó en Science, pero todavía queda mucho para que podamos hablar de ordenadores cuánticos “útiles” basados en diamante. Por ahora, el diamante seguirá siendo el mejor amigo de la mujer.

Perdón por el toque machista en esta entrada, en la línea del comentario de KFC “Diamonds are a girl’s best friend, especially if she’s a quantum engineer.” No he podido resistir la tentación.

El ordenador “cuántico” canadiense de 128 cubits de D-Wave Systems

D-Wave Systems es una empresa que fabrica ordenadores “cuánticos” adiabáticos con 128 cubits y recibe financiación de empresas como Google. Scott Aaronson (profesor del MIT) es el crítico oficial de los logros de este empresa. D-Wave Systems ha publicado artículos en revistas internacionales tan prestigiosas como Nature, pero no ha logrado demostrar que sus ordenadores cuánticos logren el entrelazamiento entre sus cubits, la “prueba del algodón” para todo ordenador cuántico. Scott ha impartido una charla de la AAAS en la Universidad de Columbia Británica y ha aprovechado para visitar (junto a John Preskill, John Martinis y Michael Freedman) los cuarteles centrales de D-Wave Systems. Antes de la visita le invitaron a galletas, pero decidió no tomar ninguna no vaya a ser que estuvieran envenenadas. Ya se sabe que más vale prevenir… Nos relata en su blog su visita “My visit to D-Wave: Beyond the roast-beef sandwich,” Shtel-Optimized,  Feb. 21, 2012. Permíteme un resumen.

Punto #1: D-Wave One es una máquina con 128 (cu)bits que puede aproximar la solución de un problema de minimización NP-duro (el problema de minimizar la energía de un sistema de Ising con entre 90 y 100 espines con interacciones a pares según un grafo programable, la “entrada” de la máquina). Geordie Rose (junto a su máquina a la izquierda), que ganó el premio al Innovador Canadiense del Año 2011, y sus colegas afirman que el recocido cuántico de esta máquina es más rápido que el recocido estimulado clásico, lo que indica que la máquina es efectivamente un ordenador cuántico adiabático (en teoría solo sería más rápido si el ordenador “cuántico” logra entrelazar cubits durante la ejecución del algoritmo). Para Scott este resultado es interesante pero aún no está claro qué significa ya que no se puede asegurar que la coherencia cuántica juegue algún papel en el mismo.

Punto #2. Scott le ha preguntado a Mohammad Amin, líder del artículo de D-Wave del año pasado en Nature que demostraba el efecto túnel en un algoritmo de recocido cuántico con 8 cubits, si tenían algún tipo de prueba experimental de que hubiera entrelazamiento entre estos cubits. Amin le ha confesado que no la tienen (por ahora). La manera más fácil de demostrar el entrelazamiento es demostrar la violación de las desigualdades de Bell; otros grupos de investigación que también usan cubits superconductores lo han logrado, pero Amin confiesa que dicha verificación no es posible con el diseño actual de los ordenadores “cuánticos” que tiene D-Wave.

Punto #3: Este punto es el más interesante, en mi opinión. Scott confiesa que muchos expertos pensaba que D-Wave afirmaba que, aunque su ordenador “cuántico” no presente entrelazamiento entre cubits durante el cómputo (la decoherencia cuántica provoca que sus cubits de desentrelacen antes del inicio del algoritmo), su ordenador cuántico podía resolver problemas asintóticamente más rápido que un ordenador clásico. Sin embargo, Scott ha descubierto que esto no es lo que afirma D-Wave. Ellos creen que su sistema sistema pierde la decoherencia de forma casi inmediata en la base de autoestados de la energía, pero que ellos creen que no la pierde en la base “computacional” (se producen algunos entrelazamientos durante las etapas intermedias del algoritmo). Esta idea es la que subyace a la computación cuántica adabiática y la razón por la que desde D-Wave se cree que tienen un ordenador cuántico. Sin embargo, los expertos son escépticos respecto a que pueda haber decoherencia en la base de la energía sin que la haya en la base de autoestados computacionales (al menos esto nunca ha sido demostrado de forma experimental).

Mientras D-Wave no demuestre que existe entrelazamiento entre los cubits durante la ejecución de su algoritmo todos sus logros seguirán puestos en duda por los expertos. Nadie entiende por qué centra sus esfuerzos en incrementar el número de cubits en lugar de demostrar el entrelazamiento, aunque sea parcial, durante el cálculo. Scott recomienda a D-Wave que se centre en este asunto.

En la web y en la blogosfera mucha gente afirma que no importa si los sistemas de D-Wave funcionan de forma cuántica o no lo hacen, o si utilizan la coherencia cuántica o no, mientras resuelvan problemas prácticos más rápido que un ordenador clásico. La palabra “cuántica” la utilizan para atraer dinero, interés y a jóvenes investigadores. Quién le daría 10 millones de dólares a una empresa para implementar un algoritmo de recocido estimulado que permita simular un sistema de Ising con 90 bits. Según Scott, nadie. Más aún, cuando el ordenador con el que estás leyendo esto puede realizar esa tarea millones de veces más rápido que el ordenador “cuántico” D-Wave One.

En resumen, Scott no ha cambiado de opinión sobre D-Wave tras la visita. Mientras no demuestren que su ordenador es cuántico, su ordenador seguirá siendo “cuántico” y sus logros serán puestos en duda por los expertos (y por quien escribe esto en este blog).

Más información sobre D-Wave Systems en este blog: 26 enero 2008, “Computación cuántica adiabática (o el “primer” ordenador cuántico comercial),” 12 marzo 2008, “Conferencia en la Universidad de Málaga = Orión, el “primer” computador cuántico comercial – Una introducción a la computación cuántica adiabática,” 18 mayo 2009, “Tras Orion, Rainier, un ordenador cuántico adiabático de D-Wave Systems de 128 cubits,” 13 mayo 2011, “Inaudito, D-Wave Systems logra publicar un artículo en Nature,” 6 junio 2011, “Por primera vez en la historia se vende un ordenador cuántico “D-Wave One”.”

Hacia la computación cuántica topológica gracias a los fermiones de Majorana

Leo Kouwenhoven y su nanohilo de InSb conectado a una fuente, un drenador y cinco puertas.

Lo que sube cae, lo que se excita decae. Un cubit ideal tiene que luchar contra la decoherencia cuántica, lo que es casi imposible si es una superposición cuántica de un estado fundamental y un estado excitado, pues dicho estado excitado tiende a decaer al fundamental. ¿Cómo evitarlo? Construyendo el cubit utilizando una superposición cuántica de dos estados fundamentales, lo que requiere un sistema cuántico cuyo estado fundamental esté degenerado. Igual que un topólogo no distingue entre la taza de café y el dónut, pues ambos tienen un solo agujero, la computación cuántica topológica propone implementar cubits utilizando sistemas cuyo estado fundamental está degenerado y presentan un invariante topológico con al menos dos estados discretos, los valores clásicos del cubit. En teoría el efecto de la decoherencia cuántica sobre estos cubits topológicos es despreciable, pues no puede alterar su invariante topológico, lo que permite que se comporten como cubits ideales durante un tiempo largo. ¿Pero cómo fabricar un cubit topológico ideal? Hay varias propuestas, pero la más prometedora es utilizar las propiedades de los fermiones de Majorana, que pueden formar parejas (que se comportan como fermiones de Dirac y tienen un invariante topológico natural). Muchos grupos de investigación en física del estado sólido están luchando en un carrera de obstáculos con objeto de ser los primeros en fabricar un sistema con estas características, con objeto de lograr el tan ansiado Premio Nobel de Física, como nos contaron Robert F. Service, “Search for Majorana Fermions Nearing Success at Last?,” Science 332: 193-195, 8 April 2011, y Barbara Goss Levi, “The expanding search for Majorana particles,” Physics Today 64: 20, March 2011. ¿Qué grupo será el vencedor de la carrera?

Leo Kouwenhoven (Instituto Kavli de Nanociencia, Delft, Holanda) ha afirmado el 28 de febrero que él es el ganador de la carrera, el primero en lograr observar fermiones de Majorana (en su caso en un nanohilo de antimoniuro de indio). Lo ha afirmado en una charla en la Reunión de Marzo de la APS (American Physical Society), en Boston, Massachusetts, y nos lo ha contado Eugenie Samuel Reich ,”Quest for quirky quantum particles may have struck gold. Evidence for elusive Majorana fermions raises possibilities for quantum computers,” Nature News, 28 February 2012 [Kanijo la ha traducido en “La búsqueda de unas extrañas partículas cuánticas puede haber encontrado oro,” Ciencia Kanija, 29 feb. 2012]. Como todavía no se ha publicado el artículo técnico correspondiente (seguramente habrá sido enviado a Nature o Science y estará en proceso de revisión), aún no podemos asegurar que Kouwnhoven y su grupo hayan sido los ganadores. Pero los asistentes a su charla han quedado convencidos, como “Jay Sau, físico de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts que dice que cree que es el experimento más prometedor hasta el momento y será difícil oponerse a que son fermiones de Majorana.”

¿Servirán los fermiones de Majorana de Delft para diseñar un cubit topológico? Por lo que parece en la charla de Kouwenhoven no se ha aclarado este punto y no se sabe si sus femiones de Majorana tendrán una vida media suficientemente larga como para poder fabricar con ellos cubits. Aún así, Reich califica de impresionante el logro del grupo de Delft de física del estado sólido. No quiero pecar de abogado del diablo, pero hasta que no se publique el artículo técnico y se conozcan los detalles, debemos ser cautos y pensar que quizás estemos, de nuevo, ante otra falsa alarma. Ya os contaré…