Un grupo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, en inglés) en Boulder, Colorado, han hecho una demostración de operaciones informáticas múltiples con bits quánticos—un paso crucial hacia la construcción práctica de un ordenador quántico.

Los ordenadores quánticos tienen el potencial de poder llevar a cabo cálculos de forma mucho más rápida que los ordenadores clásicos que utilizamos hoy día. Esta potencia de cálculo superior viene dada por el hecho de que estos ordenadores utilizan bits quánticos, o qubits, que son capaces de representar tanto un 1 como un 0 al mismo tiempo, al contrario de que los bits clásicos, que sólo pueden representar o bien un 1 o un 0. Los científicos siguen una serie de métodos distintos a la hora de crear qubits. En NIST, los investigadores utilizan iones de belirio almacenados en unas, así llamadas, trampas de iones. Se utilizan unos láseres para controlar los estados electrónicos de los iones, dependiendo de la frecuencia con la que se afine el láser. Los estados electrónicos de los iones y sus interacciones determinan las operaciones quánticas que la máquina es capaz de llevar a cabo.

Durante las últimas décadas, los investigadores han llevado a cabo un progreso continuado hacia la creación de un ordenador quántico, por ejemplo, mediante el almacenamiento de datos quánticos o la ejecución de operaciones lógicas en qubits. Sin embargo, el estudio del NIST, que se publica hoy online en la revista Science, une varios pasos cruciales por primera vez. El estudio describe la colocación de un ión en un estado concreto, en el que más tarde se almacenan datos de un qubit, se llevan a cabo unas operaciones lógicas sobre uno o dos de los qubits, se transfiere esa información entre las distintas localizaciones, y finalmente se lee el resultado del qubit de forma individual. Lo más importante es que los investigadores han demostrado que son capaces de llevar a cabo una operación tras otra en un único experimento.

“Este es el siguiente paso dentro de la construcción de un ordenador quántico,” afirma Dave Wineland, investigador principal del proyecto. “Está muy bien el poder haber llegado hasta este punto.”

El equipo de NIST llevó a cabo cinco operaciones lógicas quánticas y 10 operaciones de transporte (lo que significa que trasladaron el qubit desde una parte del sistema a otra) en series, mientras que lograron mantener de forma fiable los estados de los iones—una tarea complicada puesto que los iones se pueden escapar de su estado preparado muy fácilmente. En otras palabras, los investigadores tuvieron que tener mucho cuidado para no perder las combinaciones quánticas de 1s y 0s mientras que manipulaban sus iones.

Uno de los principales problemas a la hora de llevar a cabo múltiples operaciones es que los iones se calientan después de una sola operación, en la que los haces de láser, afinados para alcanzar unas frecuencias específicas, ajustan el nivel de energía de los electrones. Una vez que esto ocurre, según explica Jonathan Home, investigador de post-doctorado en NIST, los investigadores no pueden llevar a cabo más operaciones puesto que los qubits dejan de se capaces de mantener tanto un 1 como un 0. Para solucionar este problema, los investigadores añadieron iones de magnesio a la mezcla. Estos iones se enfrían con otros láseres y, aunque los iones de magnesio fríos no se utilizan para llevar a cabo cálculos, logran enfrian de forma efectiva los iones de belirio, manteniéndolos en un estado estable.

Un segundo reto a la hora de repetir las operaciones dentro de este tipo de ordenador quántico es asegurarse de que los iones están protegidos de campos magnéticos que también contribuyan a que pierdan su estado quántico. Para solucionar este problema, los investigadores escogieron unos niveles de energía específicos dentro de los cuales los iones resultan impermeables a los cambios en los campos magnéticos que los rodean. Esto mantiene el estado del qubit durante 15 segundos como máximo, tiempo de sobra, según Home, para llevar a cabo unas series de operaciones de milisegundos de duración. “Nuestra selección particular de niveles no cambia con el campo magnético,” afirma. “Ya no nos tenemos que preocupar por el ciclo vital de los qubits.”

El experimento resulta todo un “hito” señala Isaac Chuang, profesor en los departamentos de ingeniería eléctrica, ciencias informáticas y física en MIT. “De forma muy parecida a la evolución de los transistores en calculadoras, este estudio demuestra un ensamblaje completo de los pasos básicos necesarios para hacer un ordenador quántico más grande.” Chuang añade que la investigación “pone el listón alto” para el resto de los sistemas de informática quántica.

Durante las demostraciones, los investigadores manipularon dos qubits al mismo tiempo. Para los sistemas de trampa de iones, el número máximo de qubits utilizado en los distintos experimentos hasta ahora es menos de 10. Para poder superar a un ordenador clásico, los investigadores necesitarían llevar a cabo operaciones en 30 qubits o más, según opina Home, y añade que podría ocurrir durante los próximo cinco o 10 años. Aunque los ordenadores quánticos resultan prometedores para el descrifrado de códigos de encriptación ultraseguros, afirma que los ordenadores iniciales probablemente se utilizarán para simular a los sistemas físicos como, por ejemplo, las propiedades electrónicas de los materiales.

No obstante, hasta llegar ahí los investigadores necesitarán mejorar su sistema. En la actualidad, el rendimiento tiene una precisión del 94 por ciento. Para que un ordenador quántico sea lo suficientemente fiable como para poder ser utilizado, debe ser preciso a un 99,99 por cien. Uno de los factores principales que afectan la precisión del sistema son las fluctuaciones de intensidad de los láseres que llevan a cabo las operaciones en los iones. Sin embargo, uno nuevos láseres ultravioleta, más fiables y potentes, podrían ayudar a solucionar este problema, según afirma Home.