Semiconductores: ¿hacia la computación cuántica?

01 Marzo 2017

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Una de las ideas que está cobrando más fuerza e interés en los últimos años es la posibilidad de construir computadores capaces de operar con bits cuánticos o qubits. Estos ordenadores, de realizarse, supondrían un aumento colosal en la capacidad de procesamiento de la información: un ordenador cuántico con tan solo unos 30 qubits sería más potente que los mejores superordenadores existentes actualmente.

César González Ruano

Pero ¿qué son los qubits? Y ¿por qué son tan potentes? Un bit “clásico” toma los valores 0 ó 1, mientras que uno cuántico se encuentra en un estado de superposición pudiendo tomar ambos valores simultáneamente. Lo más interesante es que, si tenemos N de ellos entrelazados, podemos realizar 2N operaciones en paralelo gracias a esta superposición de estados. Este aumento exponencial explica el gran salto en la capacidad de computación usando un número reducido de qubits.

Hasta ahora, las aproximaciones para realizar físicamente un dispositivo capaz de operar con bits cuánticos se han centrado en dos ámbitos: la óptica y la física de materiales. El problema de la primera reside en que, a pesar de que somos capaces de construir qubits estables, no podemos interconectarlos adecuadamente para conseguir hacer funcionar nuestro ordenador cuántico eficientemente. En física de materiales, esto no supondría un problema a priori. Sin embargo, el problema reside en la llamada decoherencia: Las fluctuaciones energéticas pueden cambiar el estado cuántico en el que se encuentra nuestro qubit, haciendo que no podamos computar de manera fiable.

En cuanto al enfoque fotónico, existen diversas propuestas para desarrollar puertas lógicas cuánticas con guías de ondas y heteroestructuras de Si/SiO2, que también entrarían en el ámbito de los semiconductores. Sin embargo, en este caso nos centraremos en un enfoque distinto basado en otras ideas físicas.

Una de las promesas para intentar acabar con la mencionada decoherencia es usar estados cuánticos que estén protegidos topológicamente. Básicamente, se trata de ciertas propiedades invariantes en los estados de nuestro sistema cuántico que son capaces de evitar que fluctuaciones locales de energía hagan que se pierda la información de los qubits. Vamos a ver a continuación una propuesta que busca hacer uso de este tipo de propiedades para construir un sistema de qubits con el que poder realizar puertas lógicas y hacer mediciones: todos los ingredientes necesarios para tener un ordenador cuántico. El sistema propuesto se basa en el uso de nanohilos de Antimonuiro de Indio (InSb). Se trata de un material de la familia III-V de semiconductores que posee algunas propiedades excepcionales como sus elevados valores de movilidad electrónica, longitud de transporte balístico o velocidad de deriva. Estos nanohilos pueden ser crecidos fácilmente por electrodeposición en membranas de alumina. La idea fundamental es que, bajo ciertas condiciones, una pareja de nanohilos de InSb sobre sendas islas de material superconductor conectadas mediante una unión Josephson y una capacitiva podrían comportarse como un qubit en el que poder realizar operaciones lógicas y medidas.

En las condiciones adecuadas, la estructura de bandas electrónicas del InSb haría que en los dos extremos de cada nanohilo emergieran los llamados estados de Majorana, consistentes en la aparición o desaparición de una pareja de partículas virtuales (una en cada extremo del nanohilo) que se comportarían como fermiones, siguiendo el denominado modelo de Kitaev.

Fig 1: el modelo de la cadena de Kitaev: una cadena de electrones formados por partículas virtuales. Estas pueden entrelazarse formando la fase “trivial” arriba, dentro de cada electrón, o en la fase topológica, abajo, en la que quedan dos partículas virtuales desapareadas en los extremos de la cadena .(M. Franz, Nature Nanotechnology 8, 149-152 (2013)).

Ahora bien, necesitamos dos parejas de estas cuasipartículas para conseguir el estado entrelazado de nuestro qubit, ligándolas mediante una propiedad invariante que lo proteja y nos permita usarlo para realizar operaciones. En nuestro caso, ese invariante es la paridad del número de fermiones. Esta propiedad no está localizada en una sola partícula sino en todo el conjunto. Es decir, no está localizada. Esto protege el sistema de que una fluctuación energética puntual haga aparecer o desaparecer una de las partículas virtuales: la famosa decoherencia.

Este hecho explica además por qué necesitamos superconductores para completar la realización del qubit, ya que en estos materiales los electrones se agrupan por parejas (los llamados pares de Cooper), evitando que un electrón solitario afecte a la paridad del número de fermiones presentes en el sistema. Si bien esto acabaría pasando, bajando la temperatura aumentaríamos exponencialmente el tiempo de coherencia de nuestro qubit pudiendo conseguir suficiente para realizar los cálculos necesarios. Para medir el resultado de la operación, usaríamos las propiedades de las uniones entre las islas semiconductoras para “desproteger” su estado, haciendo que el estado entrelazado colapse para poder obtener el estado final que buscamos.

Para llegar a realizar esta propuesta aún hay obstáculos que deben ser salvados. Las condiciones experimentales en las que aparecen los estados que buscamos son bastante específicas y complejas de perseguir. Por una parte, ya hemos visto que la temperatura podría jugar en nuestra contra provocando la decoherencia de algún qubit antes de terminar de realizar los cálculos necesarios. Además, las condiciones de campo magnético también son difíciles de alcanzar: es necesario para que aparezcan los fermiones virtuales en el nanohilo semiconductor, pero demasiado campo hace que la superconductividad empiece a fallar, de nuevo provocando la existencia de electrones solitarios que nos darán problemas. De hecho, aunque todo apunta a la existencia de estos estados en el sistema, aún no han podido ser observados experimentalmente de forma inequívoca.

Actualmente se trata sólo de una idea, apoyada por la teoría existente pero sin realización práctica. Sin embargo, se trata de una propuesta bastante concreta que abre un nuevo camino para que los avances en nanotecnología sigan revolucionando la tecnología actual. Quizás, dentro de unos años, el sueño de la computación cuántica sea posible gracias a estos pequeños hilos.

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