La revolución de la memoria cuántica: qué avances redefinen el futuro de la computación

*Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Las computadoras cuánticas han dejado de ser pura ciencia ficción y ahora son objeto de innumerables estudios e iniciativas industriales en algunas de las empresas tecnológicas más grandes del mundo.

Se espera que estas computadoras, aún en sus primeras etapas conceptuales, procesen datos a una velocidad y alcance asombrosos, imposibles de alcanzar con las tecnologías actuales. También podrían ayudarnos a abordar problemas matemáticos aún sin resolver y, en general, a facilitar el acceso a la realidad cuántica, que hoy en día es principalmente una construcción teórica.

Mientras que una computadora convencional opera mediante “bits”, una unidad de memoria que puede existir en estado 1 o 0, las unidades de memoria cuántica, o cúbits, mantienen ambos estados simultáneamente, un fenómeno conocido como “superposición”.

Un cúbit equivale a muchos bits convencionales en cuanto a su capacidad de procesamiento, pero al mismo tiempo es particularmente sensible a su entorno físico y, por lo tanto, pierde los datos almacenados en una fracción de segundo.

Un nuevo estudio del doctor Or Katz y Roy Shaham del grupo del doctor Ofer Firstenberg en el Departamento de Física de Sistemas Complejos del Instituto de Ciencias Weizmann, en colaboración con Rafael Advanced Defense Systems Ltd., ofrece una forma innovadora de almacenar datos en qubits durante períodos de tiempo mucho más largos de lo que era posible antes.

Los sistemas cuánticos, estudiados durante más de dos décadas, son capaces de almacenar datos gracias a una propiedad única de los electrones (y otras partículas elementales, así como de los núcleos atómicos): sus espines.

Los espines describen la rotación del electrón (la partícula que rodea el núcleo atómico) alrededor de su eje. Cuando un espín es relativamente estable, en condiciones bien definidas, se puede decir que el electrón gira en sentido horario o antihorario.

Otra característica interesante de los espines es que, cuando dos átomos colisionan, sus espines mantienen su direccionalidad original o intercambian sus direcciones. De esta manera, el espín se considera un sistema de almacenamiento de datos: por ejemplo, los espines en sentido horario son 1, y los espines en sentido antihorario, 0.

Para transformar la memoria atómica en memoria cuántica, un rayo láser que contiene un único fotón en estado de superposición constituye los datos destinados al almacenamiento.

El rayo láser, dirigido a una celda de vidrio sellada que contiene miles de millones de átomos en estado gaseoso, cambia la dirección de espín de un electrón en uno de los átomos que componen el gas, sin ser detectado.

A continuación, los átomos del gas pueden excitarse de forma que el electrón con el espín invertido lance un nuevo fotón en la trayectoria del rayo láser original, pero alejándose de su fuente. Esta disposición da como resultado una unidad de memoria cuántica con una vida útil relativamente larga, aunque aún muy corta: no más de unas pocas décimas de segundo.

Científicos del Instituto Weizmann postularon que el uso de un sistema similar de fotones y gas, inédito en computación cuántica, podría prolongar significativamente la vida útil de un cúbit. En este sistema, el tanque sellado contiene dos tipos de gases. Un gas alcalino, como el rubidio o el potasio, se utiliza primero para recibir la información almacenada en los fotones provenientes del rayo láser y, posteriormente, mediante colisiones, se transfiere a un gas noble raro como el helio-3.

Los electrones de los gases nobles raros carecen de espín, pero su núcleo atómico sí lo tiene, uno que puede mantener su dirección hasta varios meses. Para acceder a la memoria almacenada, el gas alcalino se excita tras recibir datos cuánticos del gas noble mediante colisiones, que posteriormente se emiten como fotones.

En un artículo publicado a principios de 2021, investigadores del grupo de Firstenberg presentaron fragmentos de este complejo proceso y demostraron la relación bidireccional entre los fotones y el espín de los núcleos atómicos.

Los investigadores evalúan que, si bien la transferencia de información clásica de los electrones del gas alcalino a los núcleos del gas noble requiere mucho tiempo, la transferencia de información cuántica será un proceso considerablemente más rápido: en este caso, solo se requiere establecer un canal de comunicación entre un fotón, un electrón del gas alcalino y un núcleo atómico de un gas noble, de los muchos que existen en el sistema.

El objetivo es generar un estado de superposición, independientemente de la identidad individual de los átomos en colisión. En otro estudio publicado recientemente, el equipo de investigadores demostró la construcción de un sistema óptimo que permite una transferencia de datos particularmente eficiente y que tiene el potencial de generar un sistema de memoria cuántica estable.

Sin embargo, el camino hacia la plena realización de la tecnología cuántica es largo. Estudios tanto teóricos como experimentales han impulsado este concepto innovador, paso a paso, hasta lograr un avance tecnológico que mejore la comunicación entre ordenadores cuánticos mediante fotones. Varios otros grupos de investigación han seguido este enfoque y se enfrentan al gran reto de mantener vivo el cúbit.

*La investigación del Dr. Ofer Firstenberg cuenta con el apoyo del Laboratorio en Memoria de Leon y Blacky Broder.