Científicos rusos crean un material 'imposible' para gestionar ordenadores cuánticos

Un equipo internacional de investigadores rusos y alemanes revolucionó el sector dedicado a crear materiales de propiedades artificiales.

Los científicos de la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Rusia MISIS (NUST MISIS), la Universidad de Karlsruhe (Alemania) y el Instituto de Tecnologías Fotónicas de Jena (Alemania), bajo la dirección del jefe del laboratorio de metamateriales ultraconductores de la NUST MISIS, el catedrático Alexéi Ustínov, desarrollaron por primera vez en la historia los llamados cúbits de espejo y metamateriales a partir de los mismos. Este el primer metamaterial cuántico que podrá usarse como elemento de gestión en los esquemas eléctricos superconductores. Los resultados del trabajo fueron publicados en la revista Nature Communications.

Los metamateriales son sustancias cuyas propiedades vienen determinadas no tanto por los átomos que los integran, sino por las estructuras que los forman. Cada una de estas estructuras —llamadas meta-átomos— tiene unas dimensiones de decenas o incluso centenares de nanómetros y posee un peculiar conjunto de propiedades que desaparece si se intenta dividir en distintos componentes.

Hasta hace poco una de las principales diferencias entre los átomos y los meta-átomos consistía en que las propiedades de los átomos se describían con ecuaciones de mecánica cuántica, mientras que las de los meta-átomos se desglosaban con ecuaciones físicas clásicas.

La creación de los cúbits —unidades mínimas de información que pueden ser almacenadas en un ordenador cuántico— brindó la posibilidad de desarrollar un material compuesto por los meta-átomos cuyo estado se describe solo de forma mecánico-cuántica. Aunque este trabajo requirió diseñar unos cúbits específicos.

"Un cúbit normal consiste en un esquema con tres uniones de Josephson", explica el investigador del laboratorio de metamateriales superconductores de la NUST MISIS, Kirill Shulgá. "Mientras el cúbit de espejo cuenta con cinco uniones simétricas con respecto al eje central. Los cúbits de espejo fueron pensados como un sistema más complicado que los cúbits superconductores habituales. La lógica es simple: el sistema artificialmente complejo con un gran número de grados de libertad tiene más factores que pueden influir en sus propiedades. Modificando ciertos parámetros del medio en el que se encuentra nuestro metamaterial se podrían activar o desactivar estas propiedades al transformar el cúbit de espejo de un estado fundamental con unas propiedades a otro distinto".

Durante el experimento resultó que cualquier metamaterial compuesto por cúbits de espejo puede alternarse de dos modos. En uno de ellos la cadena de estos cúbits conduce muy bien la radiación electromagnética en un rango microondas, sin dejar de ser un elemento cuántico. En el otro, la fase superconductora gira 180 grados y bloquea el paso de las ondas electromagnéticas a través de ella misma. Lo importante es que sigue siendo el sistema cuántico. 

Microfotografía de la cadena de cúbits de espejo. En la parte inferior, la resolución es de 20 micrones por centímetro, en la parte superior, de 5 micrones por centímetro. Los círculos representan las uniones de Josephson que forman parte de un cúbit de espejo

© Foto : MISIS

"Resulta que con la ayuda de un campo magnético este material podría usarse como un elemento de gestión en los sistemas de transmisión de señales cuánticas —fotones aislados— en las cadenas de las cuales están formados los ordenadores cuánticos actuales", explica el ingeniero del laboratorio de metamateriales superconductores de la NUST MISIS, Iliá Besedin. "Es uno de los elementos clave en los dispositivos electrónicos superconductores".

Calcular las propiedades de un cúbit de espejo en un ordenador convencional es más complicado que hacerlo con las de un cúbit normal. Si se complican todavía más las propiedades del cúbit probablemente se llegará al límite tecnológico de los ordenadores electrónicos modernos. Este complicado sistema podrá usarse como un simulador cuántico, es decir, un dispositivo capaz de predecir y modelar las propiedades de ciertos procesos o materiales reales.

Los autores del estudio tuvieron que barajar numerosas teorías para describir de forma correcta los procesos que se dan en el metamaterial cuántico. El resultado de sus investigaciones fue recogido en el artículo 'Magnetically induced transparency of a quantum metamaterial composed of twin flux qubits', publicado en la revista Nature Communications.

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