Hasta ahora, se han comercializado dos tecnologías primarias de computación cuántica. Un tipo de hardware, llamado transmon, involucra bucles de alambre superconductores conectados a un resonador; es utilizado por empresas como Google, IBM y Rigetti. En su lugar, empresas como Quantinuum e IonQ han utilizado iones individuales contenidos en trampas de luz. Por el momento, ambas tecnologías se encuentran en un lugar incómodo. Claramente se ha demostrado que funcionan, pero necesitan algunas mejoras significativas de escala y calidad antes de que puedan realizar cálculos útiles.
Puede ser un poco sorprendente ver que Microsoft apuesta por una tecnología alternativa llamada “qubits topológicos”. Esta tecnología está lo suficientemente por detrás de otras opciones que la empresa acaba de anunciar
La base de un qubit
Microsoft está comenzando detrás de algunos competidores porque la física básica de su sistema no se descifró por completo. El sistema de la compañía se basa en la producción controlada de una “partícula Majorana”, algo que solo se demostró que existe en la última década (e incluso entonces, su descubrimiento ha ha sido controvertido).
La partícula recibe su nombre de Ettore Majorana, quien propuso la idea en la década de 1920. En los términos más simples, una partícula de Majorana es su propia antipartícula; dos partículas de Majorana que difieren en su espín se aniquilarían si se encontraran. Hasta ahora, ninguna de las partículas conocidas parece ser una partícula de Majorana (todas menos los neutrinos definitivamente no lo son). Pero el concepto ha perdurado debido a la perspectiva de hacer cuasipartículas de Majorana, o una colección de partículas y campos que, en ciertos contextos, se comporta como si fuera una sola partícula.
La cuasipartícula más destacada es probablemente el par de Cooper, en el que dos electrones se emparejan de una forma que altera su comportamiento. Los pares de Cooper son necesarios para que la superconductividad funcione.
Nayak dijo que el sistema de Microsoft involucra un cable superconductor y sus pares Cooper asistentes. En circunstancias normales, tener un electrón desapareado adicional supone un coste para la energía total del sistema. Pero en un alambre suficientemente pequeño en presencia de campos magnéticos, es posible pegar un electrón al final del alambre sin costo energético. “En un estado topológico y un superconductor topológico, terminas teniendo estados que pueden, sin costo de energía, absorber un electrón adicional”, dijo Nayak a Ars.
Siendo esta la mecánica cuántica, el electrón no se localiza en el extremo del cable donde se inserta; en cambio, está deslocalizado en ambos extremos. “Los dos extremos son las partes real e imaginaria de esa función de onda cuántica, básicamente”, dijo Nayak. Estos estados finales se denominan modos cero de Majorana, y Microsoft ahora dice que los ha creado y medido sus propiedades.
De cuasipartícula a qubit
Por sí solos, los modos cero de Majorana no se pueden usar como qubits. Pero Nayak dijo que es posible vincularlos a un punto cuántico cercano. (Los puntos cuánticos son piezas de un material cuyo tamaño es más pequeño que la longitud de onda de un electrón en ese material). Describió un cable en forma de U con modos cero de Majorana en cada extremo y esos extremos cerca de un punto cuántico.
“Puedes, de manera efectiva, como un proceso virtual, tener un túnel de electrones desde el punto cuántico hacia un modo cero de Majorana y un túnel de electrones desde el otro modo cero de Majorana hacia el punto cuántico”, dijo Nayak a Ars. Estos intercambios alteran la capacidad del punto cuántico para almacenar carga (su capacitancia, en otras palabras), una propiedad que se puede medir. Nayak también dijo que las conexiones entre el cable y los puntos cuánticos se pueden controlar, lo que podría permitir que los modos cero de Majorana se desconecten, lo que ayudaría a preservar su estado.
Microsoft no ha llegado al punto de vincular un punto cuántico. Pero ha hecho una cantidad considerable de trabajo para que el estado topológico funcione en el cable. Los materiales que utiliza la empresa son relativamente inusuales: aluminio como cable superconductor y arseniuro de indio como semiconductor que lo rodea. Microsoft está fabricando todos los dispositivos por sí mismo.