Descubierta una ¡°impostora¡± que simula ser una part¨ªcula de Majorana, el santo grial cu¨¢ntico

Buscar algo, encontrar otra cosa y que el hallazgo sea tan relevante como el objetivo perseguido es algo habitual en ciencia y tecnolog¨ªa. Basta recordar algunos ejemplos como el microondas, la penicilina, el tefl¨®n, el caucho vulcanizado o la viagra. Algo parecido le ha sucedido a un equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas (CSIC), formado por Elsa Prada, Ram¨®n Aguado y Pablo San Jos¨¦, en colaboraci¨®n con investigadores del Institute of Science and Tecnhology de Austria (ISTA), Instituto Catal¨¢n de Nanociencia y Nanotecnolog¨ªa (ICN2) y la Universidad de Princeton en Estados Unidos. Buscaban el santo grial de la f¨ªsica cu¨¢ntica: la part¨ªcula de Majorana, una propuesta te¨®rica de Ettore Majorana hace 86 a?os en el contexto de la f¨ªsica de part¨ªculas elementales que a¨²n sigue sin ser demostrada experimentalmente. Encontrarla y dominarla en un material especial que garantice su estabilidad, conocido como superconductor topol¨®gico, ser¨ªa un paso definitivo en la f¨ªsica de la materia condensada y en la computaci¨®n cu¨¢ntica. Despu¨¦s de dos a?os de investigaciones, creyeron haberla hallado. Pero un an¨¢lisis m¨¢s detallado revel¨® que el hallazgo era un espejismo. En su lugar han descubierto algo distinto, pero tambi¨¦n fundamental: una part¨ªcula impostora, que imita comportamientos de la de Majorana, pero no lo es.

La relevancia del descubrimiento, publicado en Nature, es multifac¨¦tica: ahonda en nuestra comprensi¨®n de los superconductores topol¨®gicos, demuestra t¨¦cnicas capaces de discernir entre part¨ªculas impostoras y la verdadera part¨ªcula de Majorana, identifica una fuente de error en la interpretaci¨®n de experimentos y se?ala el camino para el hallazgo que, seg¨²n el f¨ªsico Ram¨®n Aguado, ¡°ser¨¢ un premio Nobel cuando se demuestre de manera irrefutable su existencia y, sobre todo, su estad¨ªstica cu¨¢ntica, que dista mucho de la habitual en el modelo est¨¢ndar de fermiones o bosones¡±.

La computaci¨®n cu¨¢ntica aprovecha una propiedad singular, la superposici¨®n, para multiplicar la capacidad de procesamiento. Esa caracter¨ªstica permite que, mientras un bit cl¨¢sico tiene dos valores (0 o 1), un c¨²bit (el an¨¢logo cu¨¢ntico) multiplica su capacidad de forma exponencial al poder expresar varios estados de forma simult¨¢nea. Pero esta superposici¨®n precisa de una coherencia de los estados cu¨¢nticos que, por ahora, es esquiva y se mantiene un tiempo m¨ªnimo. Cualquier alteraci¨®n provocada por el entorno (temperatura, vibraci¨®n, energ¨ªa remanente, radiaci¨®n electromagn¨¦tica u otro fen¨®meno habitual) anula la propiedad, genera decoherencia, arroja fallos y limita la capacidad de computaci¨®n.

Jian-Wei Pan, el mayor experto en computaci¨®n de China, lo resum¨ªa de forma contundente: ¡°Construir un ordenador cu¨¢ntico pr¨¢cticamente ¨²til y tolerante a los fallos es uno de los grandes desaf¨ªos para el ser humano. El m¨¢s formidable para construir una computadora cu¨¢ntica universal a gran escala es la presencia de ruido e imperfecciones¡±.

Hasta ahora se asumen esas limitaciones y se intentan paliar corrigiendo errores a posteriori, con la ayuda de procesamiento cl¨¢sico, o construyendo ordenadores lo m¨¢s aislados posible del entorno y capaces de mantener temperaturas cercanas al cero absoluto, equivalente a 273,15 grados Celsius bajo cero.

¡°Un ordenador cu¨¢ntico¡±, explica Pablo San Jos¨¦, ¡°requiere que, mientras est¨¢ calculando, se mantenga completamente desacoplado del entorno: no puede haber ninguna interacci¨®n ni con luz, ni con vibraciones, ni con nada del mundo exterior. Tiene que estar en una burbuja, como si fuera un miniuniverso en s¨ª mismo. Eso lo hace incre¨ªblemente fr¨¢gil¡±.

Un ordenador cu¨¢ntico tiene que estar en una burbuja, como si fuera un miniuniverso en s¨ª mismo. Eso lo hace incre¨ªblemente fr¨¢gil

Pablo San Jos¨¦, f¨ªsico

De esta forma, el salto cualitativo para construir ordenadores cu¨¢nticos ¨²tiles en la pr¨¢ctica y tolerantes a los fallos ser¨ªa hallar y dominar las part¨ªculas de Majorana, ¡°capaces de esconder la informaci¨®n cu¨¢ntica que codifican de forma que sea invisible al exterior¡±, seg¨²n explica San Jos¨¦ advirtiendo que es una forma simple de explicarlo. ¡°Un c¨²bit basado en estados de Majorana ser¨ªa mucho m¨¢s robusto frente a la decoherencia, ya que se construye a partir de funciones de onda cu¨¢nticas separadas espacialmente, por lo que es inmune a cualquier perturbaci¨®n local. Esta robustez facilitar¨ªa mucho el problema de la escalabilidad [crear ordenadores con m¨¢s c¨²bits para superar la capacidad de la computaci¨®n cl¨¢sica]¡±, a?ade Aguado. ¡°Llevamos ya 10 o 12 a?os buscando esa famosa part¨ªcula en superconductores topol¨®gicos¡±, comenta.

Para encontrarlas hace falta, adem¨¢s, seg¨²n apunta Elsa Prada, el desarrollo de superconductores topol¨®gicos que puedan esconder la informaci¨®n cu¨¢ntica para protegerla del exterior y ¡°que no te enga?en¡±. ¡°Ese material no existe en la naturaleza de forma espont¨¢nea; son producto de la ingenier¨ªa de materiales. Desgraciadamente, estos albergan toda clase de part¨ªculas impostoras y pueden confundir. Para que no te enga?en hacen falta dos cosas: mejorar sustancialmente la calidad de los materiales que se usan (un proceso muy delicado que solo saben hacer un pu?ado de crecedores de materiales en el mundo) y someter al superconductor topol¨®gico a unos protocolos de medida muy sofisticados, que revelen el entrelazamiento cu¨¢ntico.¡±

El grupo de Charles Marcus, en el Instituto Niels Bohr de Dinamarca, dio un primer paso con la utilizaci¨®n de un material topol¨®gico propio y una t¨¦cnica novedosa para identificar la part¨ªcula de Majorana. Las mediciones apuntaban un camino aparentemente correcto. El equipo austriaco replic¨® el experimento independientemente a partir del mismo material e, inicialmente, los resultados coincid¨ªan. Pero en ciencia y tecnolog¨ªa, dos veces es insuficiente y realizaron una prueba complementaria. ¡°Vieron que hab¨ªa una contradicci¨®n en las conclusiones y esto era una paradoja irreconciliable que no sab¨ªan explicar¡±, se?ala San Jos¨¦. Los c¨¢lculos te¨®ricos del equipo del CSIC arrojaron la respuesta: una part¨ªcula impostora que se comportaba como un Majorana, pero que no lo era.

¡°Estas part¨ªculas impostoras tienen a menudo algunas de las propiedades de los Majorana aut¨¦nticos, energ¨ªa cero, esp¨ªn cero, carga cero¡­ pero no la fundamental, la de proteger la informaci¨®n cu¨¢ntica del entorno mediante una funci¨®n de onda cu¨¢ntica que podemos entender como un electr¨®n partido en dos mitades separadas espacialmente. En ese sentido, no son ¨²tiles para computaci¨®n cu¨¢ntica¡±, explica.

Lo que podr¨ªa parecer ¡°una mala noticia¡±, seg¨²n admite Prada, es, sin embargo, un hallazgo fundamental. En el complicado juego del Cluedo cu¨¢ntico, el equipo del CSIC ha localizado al impostor, lo que permite identificar al causante de errores en experimentos anteriores, al generador de falsos positivos.

Adem¨¢s, tambi¨¦n alumbra el camino del desarrollo de superconductores topol¨®gicos m¨¢s robustos. ¡°Hacerlos topol¨®gicos es realmente muy complicado: hay que mezclar diferentes materiales de forma muy precisa, con unas geometr¨ªas muy concretas, someterlos a campos externos¡­¡±, a?ade Prada.

El hallazgo es en realidad un paso atr¨¢s para tomar impulso. ¡°Somos demasiado impacientes. Las primeras propuestas de los materiales a los que se refiere Elsa Prada son de hace 13 a?os y hubo una carrera demasiado precipitada hacia su demostraci¨®n. Para ponerlo en contexto, pensemos que el transistor se descubri¨® en los a?os cuarenta del siglo pasado y no tuvimos microelectr¨®nica de uso masivo hasta los ochenta. Con unos primeros microprocesadores muy voluminosos que ten¨ªan en torno a 1.000 transistores, mientras que en la actualidad cuentan en su interior con m¨¢s de 100.000 millones de transistores, con tama?os apenas algo mayores que unos pocos ¨¢tomos de silicio¡±, explica Aguado. ¡°El primer bit cu¨¢ntico basado en circuitos superconductores se demostr¨® en 1998 y han tenido que pasar m¨¢s de 20 a?os hasta que Google o IBM han podido lanzar sus ordenadores cu¨¢nticos con varias decenas de c¨²bits. Sencillamente, estamos empezando a explorar conceptos f¨ªsicos muy novedosos que eventualmente dar¨¢n lugar al siguiente paso; el c¨²bit topol¨®gico basado en Majoranas¡±, a?ade.

De esta forma, en f¨ªsica cu¨¢ntica, encontrar el camino a seguir es tan importante como detectar los falsos atajos. ¡°Estamos entrando en un universo tecnol¨®gico que apenas hemos explorado. La manipulaci¨®n del mundo cu¨¢ntico es un juego distinto, mucho m¨¢s complicado y delicado. Nos faltan herramientas y materiales que no conocemos a¨²n para abrir la puerta del todo, pero estos pasos iniciales son cruciales. A la larga, los materiales topol¨®gicos posibilitar¨¢n una revoluci¨®n mucho m¨¢s all¨¢ del ordenador cu¨¢ntico. Estamos ante una frontera nueva en el entendimiento de la materia¡±, a?ade San Jos¨¦.

¡°Es muy importante entender la f¨ªsica fundamental que rige estos dispositivos superconductores. Nuestro trabajo acota bastante las posibilidades de falsos positivos en la b¨²squeda del escurridizo Majorana. Hemos dado un paso m¨¢s hacia su detecci¨®n y la explotaci¨®n futura de todo su poder en computaci¨®n cu¨¢ntica¡±, concluyen los investigadores.

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