Ordenador cuántico dentro de un diamante

Un equipo internacional, integrado por científicos estadounidenses y de los Países Bajos, acaba de publicar un artículo en la revista Nature en la que explican como han construido un ordenador cuántico dentro de un diamante. Aprovechando las impurezas del cristal, han construido un CPU compuesto por dos bits cuánticos (o qubits), capaz de superar los problemas de decoherencia que suelen hacer de este tipo de ordenadores máquinas altamente inestables.

Los ordenadores cuánticos realmente funcionales parecen estar un poco más cerca. Si bien se trata de un tipo de ordenador que fue propuesto hace unas cuantas décadas, lo cierto es que a pesar de los esfuerzos dirigidos a construir una máquina capaz de efectuar cómputos a partir de los extraños principios de la física cuántica no han tenido hasta ahora un éxito completo. Se han realizado varios prototipos capaces de ejecutar tareas muy sencillas, pero generalmente aparecen problemas de decoherencia -producidos por la interacción del sistema con su entorno- que provocan fallos en su funcionamiento. Ahora, un equipo de científicos conformado por físicos de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, la Universidad Estatal de Iowa (EE.UU) y la Universidad de California en Santa Bárbara (EE.UU.) han dado un importante paso en la solución de este problema al construir un ordenador cuántico en el interior de un diamante.

No se trata del primer trabajo de este tipo -ya en 2006 se había trabajado con diamantes en este campo-  pero la diferencia respecto de trabajos previos es la mejora en la protección que proporciona el diamante contra los problemas de  decoherencia, evitando que los “ruidos” del entorno impidan al equipo funcionar correctamente. El trabajo de este grupo de científicos demuestra la viabilidad de los ordenadores cuánticos de estado sólido, que a diferencia de otros basados en líquidos o gases, puede ser fácilmente ampliados para incorporar un mayor número de qbits. El ordenador que aparece en el artículo de Nature es en realidad un chip de 3 mm x 3 mm que contiene en su centro un “CPU” de diamante, de solo 1 mm x 1 mm, conformado por dos qbits. No hay que cometer el error de suponer que este ordenador por poseer solamente dos equivalentes cuánticos de los “viejos” bits posee poca potencia, ya que a diferencia de los bits que solamente pueden representar un uno o un cero, los qubits pueden codificar un uno y un cero al mismo tiempo. Esta propiedad, llamada superposición, proporciona a los ordenadores cuánticos la capacidad de realizar determinados cálculos mucho más rápido que los ordenadores tradicionales.

El equipo multinacional, liderado por el profesor Daniel Lidar y la investigadora postdoctoral Wang Zhihui, aprovechó las impurezas internas del diamante. A pesar de que en teoría un diamante es carbono puro, siempre contiene en su interior impurezas que lo hacen menos atractivo como piezas de joyería, ya que le proporcionan un aspecto ligeramente turbio. Sin embargo, esas partículas extrañas -núcleos de nitrógeno en este caso- se utilizaron como base para crear los qbits del CPU cuántico. Para demostrar que el chip funciona implementaron un algoritmo de búsqueda Grover, que es capaz de encontrar un bit determinado dentro de un registro de L bits de largo en (utilizando un ordenador tradicional) en O(L) pasos. El algoritmo cuántico es capaz de hacer lo mismo en O(√L) pasos. En las pruebas L era igual a 4, y el ordenador fue capaz de encontrar el resultado en 322 μs, con una fidelidad entre el 91% y 95%. Recordemos que los algoritmos cuánticos nunca logran una fidelidad del 100%. Se supone que este tipo de ordenador reemplazará a los actuales en el futuro, pero aunque este avance seguramente ayudará a que ese cambio ocurra, no veremos ordenadores cuánticos “aptos para todo público” en las tiendas hasta dentro de varios años.