Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Una de las dificultades fundamentales de la computación cuántica radica en el propio acto de obtener información de un bit cuántico, o cúbit. A diferencia de lo que ocurre con un bit convencional, que puede consultarse repetidamente sin que se altere su contenido, la medición directa de un sistema cuántico generalmente provoca el colapso del estado que se pretendía conocer. En otras palabras, al leer la información, se modifica aquello que se está leyendo.

Un nuevo estudio que contó con el apoyo de la FAPESP propone superar este problema mediante el aprovechamiento de una propiedad peculiar de un determinado tipo de cúbit, denominado “cúbit de Andreev”. Esta propiedad consiste en una supercorriente eléctrica oscilante, producida por la propia dinámica cuántica del sistema. La corriente funcionaría como una especie de firma macroscópica del estado microscópico del cúbit, lo que permitiría reconstruirlo de manera prácticamente no destructiva.

El trabajo, publicado en la revista Physical Review B Letter, fue coordinado por José Carlos Egues, profesor titular del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), en Brasil, y por Yugui Yao, de la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Beijing, en China. Según los autores, el método podría prescindir de los cúbits auxiliares, o ancilas, empleados en las principales técnicas actuales de lectura cuántica no destructiva.

Antes de detallar esta dinámica, es fundamental comprender el contexto del fenómeno. Los cúbits son las unidades elementales de información de las computadoras cuánticas. Mientras que un bit clásico necesariamente adopta el valor 0 o 1, un cúbit puede existir en diversas superposiciones posibles de estos dos estados. Esto es precisamente lo que confiere a la computación cuántica algunas de sus características más poderosas, pero también hace que la información sea extremadamente vulnerable a la interacción con el entorno y al propio proceso de medición.

“En la formulación convencional de la mecánica cuántica, una medición proyectiva hace que el sistema adopte uno de los estados asociados a la magnitud medida. Por lo tanto, si un cúbit se preparó en una determinada superposición de 0 y 1, su medición directa tiende a destruir esa superposición y, en consecuencia, la información que contenía”, explica Egues.

Para superar esta dificultad, se desarrollaron las denominadas “mediciones cuánticas no demolitorias”, o QND (quantum nondemolition measurements). En muchos de estos protocolos, la información del cúbit se transfiere a un sistema cuántico auxiliar, la ancila. La palabra “ancila” proviene del latín ancilla y significa esclava o sirvienta. En sentido figurado, el término se utiliza actualmente para designar algo que presta servicio a otra cosa. En este caso, las mediciones se realizan sobre la ancila, preservando, en la medida de lo posible, el cúbit original.

El procedimiento funciona, pero presenta inconvenientes, ya que es necesario preparar las ancilas, acoplarlas al cúbit, transferir la información y realizar mediciones sucesivas. En sistemas con numerosos cúbits, esta infraestructura adicional puede representar una sobrecarga experimental considerable.

“Nuestra estrategia es diferente: en lugar de transferir la información a un cúbit auxiliar, buscamos obtenerla a partir de una señal producida por el propio cúbit en estudio”, afirma el investigador.

Como ya se mencionó, el cúbit estudiado es un “cúbit de Andreev”. Su nombre rinde homenaje al físico soviético Alexander Andreev (1939-2023), quien describió, en 1964, un proceso cuántico característico de la interfaz entre materiales normales y superconductores. Los denominados “estados de Andreev”, producidos por este proceso y confinados en la región nanométrica que separa dos materiales superconductores, pueden utilizarse para codificar los estados básicos 0 y 1 y sus posibles superposiciones.

“En el sistema considerado, esta región es un punto cuántico, es decir, una estructura nanométrica en la que los electrones quedan confinados espacialmente, formada en un nanohilo de arseniuro de indio [InAs] conectado, por ambos extremos, a materiales superconductores. Es en este entorno donde se forman los estados que caracterizan al cúbit de Andreev”, describe Egues.

Una de las propiedades de este sistema es la circulación de una “supercorriente”. Se trata de una corriente eléctrica que fluye sin resistencia. El estudio demostró que, cuando el cúbit se encuentra en una superposición de sus estados básicos, esta corriente presenta una componente que oscila con el tiempo. La oscilación se produce por la interferencia cuántica entre los estados que componen la superposición y, lo que es más importante, transporta información sobre el propio estado del cúbit. “Es precisamente esta propiedad la que utilizamos para realizar la lectura del cúbit. Esta supercorriente constituye el elemento central de nuestra propuesta”, destaca el investigador.

Esquema de la lectura de un cúbit de Andreev sin utilizar cúbits auxiliares. En el dispositivo propuesto, la información cuántica del cúbit se manifiesta como una supercorriente oscilante que circula por un gran circuito cerrado superconductor. La señal magnética generada por esta corriente es detectada por una pequeña bobina acoplada a un SQUID, lo que permite inferir el estado del cúbit con una perturbación mínima (imagen: Marcus Egues y José Carlos Egues, con ayuda de ChatGPT)

Una firma del estado cuántico

Un estado cualquiera de un cúbit puede representarse geométricamente mediante un punto en la denominada “esfera de Bloch”. En esta, cada punto de la superficie corresponde a una determinada superposición de los estados básicos 0 y 1. La posición de ese punto está definida por dos ángulos: uno indica en qué proporción participan los estados 0 y 1 en la superposición; el otro, la relación de fase entre ellos. Por lo tanto, conocer estos dos ángulos equivale a conocer el estado del cúbit.

“Nuestro estudio demostró que esta información queda registrada en la propia supercorriente. Esta tiene una componente constante y otra que oscila. El valor de la componente constante y la amplitud de la oscilación revelan cuánto aporta cada uno de los estados 0 y 1 a la superposición; y el momento en que comienza esa oscilación revela la relación de fase entre ellos. De este modo, al medir cómo varía la corriente a lo largo del tiempo, es posible reconstruir el estado inicial del cúbit”, explica Egues.

Sin embargo, existe otro aspecto importante de este fenómeno. En sistemas superconductores de este tipo, normalmente es necesario aplicar una tensión eléctrica para que la supercorriente oscile con el tiempo, en lugar de permanecer constante. Es el denominado “efecto Josephson de corriente alterna (CA)”. No obstante, en el sistema estudiado, la corriente puede oscilar sin necesidad de aplicar ninguna tensión externa. “Nuestro sistema genera una supercorriente que varía con el tiempo, como una corriente alterna, pero sin voltaje. Es la propia evolución del estado del cúbit la que produce esta oscilación”, señala Egues.

La corriente constituye, así, una manifestación macroscópica de la dinámica cuántica microscópica del sistema. Y es precisamente esta conexión entre ambas escalas la que los investigadores aprovechan para realizar la lectura del cúbit.

El cúbit de Andreev se incorpora a un circuito cerrado de material superconductor, por el que circula la supercorriente ya descrita. Cerca de este circuito se coloca un SQUID (superconducting quantum interference device, dispositivo superconductor de interferencia cuántica), un instrumento extremadamente sensible para detectar campos magnéticos muy débiles.

Al circular por el circuito, la supercorriente produce un campo magnético que varía junto con ella. El SQUID detecta estas variaciones y, a partir de ellas, determina cómo se comporta la corriente. Dado que este comportamiento contiene, a su vez, información sobre el estado del cúbit, es posible reconstruirlo sin medir directamente el propio cúbit.

Egues recurre a una analogía sencilla: “Podemos imaginar el cúbit como una brújula y el SQUID como otra brújula. La corriente en el circuito produce un campo magnético y el SQUID 'percibe' ese campo. Como el acoplamiento entre ambos es muy débil, el efecto del instrumento de medición sobre el cúbit tiende a ser muy pequeño”.

Esta cuestión es crucial, ya que, en la física cuántica, el instrumento de medición no es un observador pasivo. Al interactuar con el sistema, produce una retroacción capaz de alterar precisamente aquello que se pretende medir. Esta influencia del dispositivo de medición sobre lo que se está midiendo causó gran perplejidad entre los físicos en los albores de la física cuántica. Sin embargo, es inevitable. Constituye, por así decirlo, una característica intrínseca de la realidad material. En el dispositivo propuesto, la retroacción también existe. No obstante, las simulaciones realizadas en el estudio indicaron que puede reducirse a valores tan pequeños que resulten irrelevantes.

“Nuestro método no elimina el problema fundamental de la medición cuántica. Pero puede aproximarse al límite de una lectura no destructiva y, al mismo tiempo, evitar el uso de cúbits auxiliares —las ancilas— empleados en otros protocolos de medición cuántica no demolitoria”, señala Egues.

Existe, además, otra ventaja. Después de cada medición, no es necesario volver a preparar el cúbit a partir de su estado inicial. Las mediciones pueden realizarse sucesivamente mientras el sistema evoluciona, lo que permite seguir su dinámica a lo largo del tiempo.

Dentro de los límites del margen de error

Los investigadores también procuraron determinar si la propuesta seguiría funcionando ante las imperfecciones inevitables de un experimento real. Para ello, realizaron simulaciones incorporando ruido a las mediciones y teniendo en cuenta la retroacción provocada por la pequeña bobina de captación.

Dependiendo del número de mediciones considerado, las simulaciones arrojaron fidelidades del 99,52 %, 99,81 % y 99,85 %. Estos resultados se encuentran dentro de los umbrales habituales adoptados en los esquemas de corrección cuántica de errores.

El estudio es completamente teórico. Sin embargo, según Egues, esto no significa que el dispositivo dependa de componentes que aún no existen o de futuros avances tecnológicos para su construcción. “Todos los valores que utilizamos son realistas. En principio, esto puede llevarse a cabo. Incluso utilizamos en los cálculos parámetros de sistemas que ya existen. Lo que todavía no existe es esta geometría, este setup (configuración experimental) que propusimos”, argumenta.

Según el investigador, esto diferencia el trabajo de otras propuestas teóricas cuya realización depende de avances en la fabricación de materiales o dispositivos. La detección de corrientes y campos magnéticos extremadamente pequeños mediante SQUID, por ejemplo, es una tecnología ya consolidada.

La propuesta reúne, así, dos resultados. El primero corresponde a la física fundamental: la predicción de una supercorriente oscilante, similar a la del efecto Josephson de corriente alterna, pero generada sin tensión externa por la propia evolución coherente del cúbit. El segundo es tecnológico: utilizar las características de esta corriente como una firma que permita reconstruir el estado del cúbit con una perturbación mínima.

Si la predicción se confirma experimentalmente, el método podría ofrecer una arquitectura más sencilla para la lectura de cúbits de Andreev, prescindiendo de ancilas y de reinicializaciones sucesivas. Asimismo, permitiría aprovechar una característica especialmente interesante de estos sistemas: la posibilidad de acceder a información cuántica microscópica mediante una corriente eléctrica macroscópica producida por el propio cúbit.

El artículo Andreev qubit readout from dynamic interference supercurrent puede consultarse en: journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/6gkt-hghj.