Logran por primera vez leer la información almacenada en uno de los cúbits cuánticos más esquivos

El análisis experimental identificó por primera vez ‘saltos aleatorios de paridad’ en los cúbits de Majorana, lo que permitió medir su estabilidad durante intervalos superiores a un milisegundo. Estos hallazgos, publicados por la revista Nature, marcan un paso significativo hacia operaciones cuánticas más confiables, según detalló el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). El avance fue posible gracias a la colaboración internacional en el marco del proyecto QuKIt, financiado a través de una ayuda Pathfinder del Consejo Europeo de Innovación. Como informó el CSIC, este resultado constituye una etapa avanzada en la comprensión y manipulación de cúbits cuánticos protegidos topológicamente.

Los cúbits de Majorana se presentan como una de las opciones más prometedoras en la carrera por desarrollar ordenadores cuánticos robustos y duraderos. Según publicó Nature, este tipo de bits cuánticos destaca por distribuir la información en dos estados especiales, llamados modos cero de Majorana, en lugar de almacenarla en un solo punto. Esta distribución incrementa la protección contra el ruido local y otros factores que suelen provocar la decoherencia o pérdida de información en otros sistemas cuánticos. Sin embargo, esta misma característica ha dificultado históricamente la lectura de su estado, porque la información no se encuentra ubicada en un punto físico concreto.

El equipo internacional liderado desde la Delft University of Technology y con significativa participación del CSIC, optó por diseñar una nanoestructura modular descrita como ‘cadena mínima de Kitaev’, que se asemeja a piezas ensambladas de bloques. Esta innovación sirve de puente superconductor entre dos puntos cuánticos semiconductores, permitiendo que la información se divida y resguarde en los extremos del puente, situación fundamental para crear un cúbit de Majorana auténtico y funcional. Según informó el CSIC, la construcción de este sistema bottom-up, es decir, de abajo hacia arriba, permite generar modos de Majorana de manera controlada, alejándose de experimentos previos basados en combinaciones aleatorias de materiales.

La herramienta clave para lograr la nueva capacidad de lectura fue la aplicación de la técnica denominada capacitancia cuántica o quantum capacitance. Esta metodología actúa como un sensor global, sensible al estado combinado de todo el sistema, y logró discriminar en tiempo real, y con una sola medición, si el estado cuántico del cúbit de Majorana correspondía a uno ‘lleno’ (1) o ‘vacío’ (0), lo que constituye la base lógica de procesamiento en la computación cuántica. Los investigadores señalaron que, mientras los sensores locales de carga resultan ineficaces para captar estos estados, la sonda global revela esta información de manera clara y precisa.

El investigador Ramón Aguado, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) y uno de los autores principales del trabajo, manifestó a través del CSIC que los cúbits de Majorana “son intrínsecamente robustos contra el ruido local que produce decoherencia, ya que para corromper la información un fallo tendría que afectar al sistema globalmente”. Aguado también describió el trabajo como pionero, ya que por primera vez permitió conocer de forma fiable la información almacenada en los cúbits de Majorana utilizando la sonda de capacitancia cuántica.

Gorm Steffensen, también del ICMM-CSIC y uno de los primeros autores del estudio, explicó que el experimento confirmó “de forma elegante el principio de protección”, al demostrar que las mediciones locales de carga son insensibles a la información del cúbit, mientras que la sonda global lo revela con claridad. Nature recogió que los investigadores celebraron la importancia de este método para discriminar los estados cuánticos no locales, lo que facilitará en el futuro el desarrollo de memorias y procesadores cuánticos más estables.

Según reportó el CSIC, otro punto destacado fue la observación directa de los cambios de estado resultantes de perturbar el sistema, lo que permitió medir el denominado tiempo de coherencia de paridad, es decir, el periodo durante el cual el cúbit de Majorana mantiene el mismo estado cuántico. Los valores obtenidos, superiores a un milisegundo, abren la puerta a la realización de primeras operaciones coherentes en estos sistemas, un requisito técnico para avanzar hacia la computación cuántica funcional sobre cúbits topológicos.

El desarrollo experimental del estudio recayó principalmente en el equipo de la Delft University of Technology, mientras que la aportación teórica estuvo a cargo del grupo del ICMM-CSIC. Aguado subrayó que la interpretación teórica resultó decisiva para entender la complejidad de los resultados experimentales y la dinámica de los cúbits de Majorana observados. Esta colaboración internacional demuestra la relevancia de la combinación entre investigación experimental y teórica para superar desafíos técnicos en el ámbito de la física cuántica, informó el CSIC.

El medio subraya que el éxito de la investigación dependió tanto de la innovación en el diseño de materiales y nanoestructuras como de la metodología experimental utilizada para la detección de los estados cuánticos. Los resultados publicados en Nature constituyen un hito en la dirección de construir ordenadores cuánticos más estables, compactos y fiables, y muestran el papel principal que la tecnología europea está desempeñando en este campo de vanguardia.