A la recerca dels millors qbits, els ‘maons’ de la computació quàntica

Article escrit per María Benito, investigadora predoctoral del CSIC a l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM), per al blog "Ciencia para llevar" de 20 minutos.

Imagina tenir un ordinador capaç de realitzar càlculs a una velocitat estratosfèrica. O de resoldre immediatament problemes que un ordinador ‘normal’ trigaria la mateixa edat de l'univers a solucionar. Sona interessant, no?

L'ordinador quàntic promet fer tot això possible substituint els ‘ordinaris’ bits, les unitats bàsiques d'informació o ‘maons’ amb què operen els ordinadors convencionals, per ‘màgics’ qbits (de l'anglès: ‘qubit’). A diferència dels bits, que només poden prendre valors 1 o 0, els qbits poden estar simultàniament en una superposició d'estats o entrellaçar-se… I això permetria realitzar càlculs molt complexos de manera immediata i eficient.

I per què no tenim ja ordinadors quàntics a les nostres cases? Doncs perquè, encara que es porta treballant més de 20 anys per a fer-los realitat, els seus maons són més delicats que els tradicionals. Segur que alguna vegada t'ha caigut el mòbil al sòl, però, en recollir-lo, t'ha alleujat comprovar que continuava funcionant amb normalitat. Lamento dir que els ordinadors quàntics d'avui són molt més fràgils...

Obsessionats amb el soroll

Existeixen diferents tipus de qbits. En l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC), fabriquem qbits superconductors. Perquè tinguin aquesta propietat, la superconductivitat, s'han de refredar per sota de la seva temperatura crítica: 1,2 graus Kelvin en el cas de l'alumini.

Els brillants canelobres daurats que veus en la imatge compleixen aquesta funció: amaguen diversos pisos o nivells a temperatura descendent: 4 graus Kelvin, 1 grau Kelvin… fins a 0,02 graus Kelvin! Perquè et facis a la idea, el buit de l'espai exterior té la menor temperatura possible: 0 graus Kelvin, o cosa que és el mateix -273,15 graus centígrads, un estat que es caracteritza per l'absència d'energia.

Els qui treballem en l'ordinador quàntic estem obsessionats amb aconseguir aquestes ínfimes temperatures, que necessiten d'un acurat aïllament tèrmic de l'exterior. I també amb ‘apantallar’ l'interior d'aquests ordinadors per a evitar qualsevol altre tipus d'interferència, o el que nosaltres considerem soroll: la radiació còsmica, la radiació nuclear, fotons, camps magnètics…

I pensaràs: " quins paranoics…". Pot ser, però té una explicació.

Dins d'aquests canelobres pot haver-hi milers de qbits realitzant contínues operacions. I, desgraciadament, sol ocórrer que aquests qbits experimenten un fenomen anomenat ‘decoherència’, pel qual perden el seu estat quàntic. En altres paraules: el que els converteix en una cosa ‘màgica’, sistemes capaços d'estar en una superposició d'estats, s'esfuma completament.

Sense entrar en excessiu detall, totes aquestes fonts de soroll acceleren, mitjançant diferents mecanismes, la decoherència dels qbits superconductors. Per tant, busquem suprimir-los al màxim per a tenir qbits coherents durant el major temps possible.

Qbits de qualitat

S'ha provat des d'apantallar amb materials que no deixen penetrar el camp magnètic fins a construir aquests ordinadors sota terra per a frenar la radiació còsmica. Però continuen fallant… Podria estar la resposta dins de la pròpia gàbia? És a dir, podríem millorar la qualitat dels qbits des dels seus materials constituents?

"Pots pintar la teva casa amb la millor pintura que, si els fonaments no són bons, mai obtindràs el millor resultat". Aquesta frase ens pot ajudar a exemplificar el que succeeix en un ordinador quàntic: “Pots aplicar milers d'algorismes per a evitar la decoherencia, però, si el qbit no és bo, mai aconseguiràs la potència de càlcul que necessites”.

Per això, a l'IMB-CNM treballem per a donar amb la millor recepta per a desenvolupar qbits que resisteixin o minimitzin la decoherència.

Els nostres qbits superconductors estan conformats per un xip que inclou un parell de ‘unions Josephson’. El xip està fet d'un substrat i una fina capa d'alumini o un altre material superconductor. Les unions Josephson també estan formades per dues capes d'alumini o un altre material superconductor separades per un aïllant, que pot ser el propi òxid d'alumini.

Per a trobar el qbit que estem buscant, utilitzem diferents substrats (el ‘fonament’ d'un circuit integrat) o canviem el material superconductor que dipositem. No és senzill, perquè una cosa tan ‘ximple’ com el tipus de neteja que facis prèviament, o els segons que tardes en cada etapa del procés, són determinants per al resultat final. Per això, hem de treballar en una Sala Blanca, un entorn molt controlat que serveix per a minimitzar el nombre de partícules contaminants. Cada assaig és un desafiament, però també una experiència apassionant.

Aconseguirem aconseguir-ho? És difícil predir-ho, però, si l'ésser humà va aconseguir construir gratacel utilitzant formigó armat en comptes de fusta, algun dia aconseguirem fabricar els millors maons de la computació quàntica.