Descubierta una “impostora” que simula ser una partícula de Majorana, el santo grial cuántico

Buscar algo, encontrar otra cosa y que el hallazgo sea tan relevante como el objetivo perseguido es algo habitual en ciencia y tecnología. Basta recordar algunos ejemplos como el microondas, la penicilina, el teflón, el caucho vulcanizado o la viagra. Algo parecido le ha sucedido a un equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), formado por Elsa Prada, Ramón Aguado y Pablo San José, en colaboración con investigadores del Institute of Science and Tecnhology de Austria (ISTA), Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) y la Universidad de Princeton en Estados Unidos. Buscaban el santo grial de la física cuántica: la partícula de Majorana, una propuesta teórica de Ettore Majorana hace 86 años en el contexto de la física de partículas elementales que aún sigue sin ser demostrada experimentalmente. Encontrarla y dominarla en un material especial que garantice su estabilidad, conocido como superconductor topológico, sería un paso definitivo en la física de la materia condensada y en la computación cuántica. Después de dos años de investigaciones, creyeron haberla hallado. Pero un análisis más detallado reveló que el hallazgo era un espejismo. En su lugar han descubierto algo distinto, pero también fundamental: una partícula impostora, que imita comportamientos de la de Majorana, pero no lo es.

La relevancia del descubrimiento, publicado en Nature, es multifacética: ahonda en nuestra comprensión de los superconductores topológicos, demuestra técnicas capaces de discernir entre partículas impostoras y la verdadera partícula de Majorana, identifica una fuente de error en la interpretación de experimentos y señala el camino para el hallazgo que, según el físico Ramón Aguado, “será un premio Nobel cuando se demuestre de manera irrefutable su existencia y, sobre todo, su estadística cuántica, que dista mucho de la habitual en el modelo estándar de fermiones o bosones”.

La computación cuántica aprovecha una propiedad singular, la superposición, para multiplicar la capacidad de procesamiento. Esa característica permite que, mientras un bit clásico tiene dos valores (0 o 1), un cúbit (el análogo cuántico) multiplica su capacidad de forma exponencial al poder expresar varios estados de forma simultánea. Pero esta superposición precisa de una coherencia de los estados cuánticos que, por ahora, es esquiva y se mantiene un tiempo mínimo. Cualquier alteración provocada por el entorno (temperatura, vibración, energía remanente, radiación electromagnética u otro fenómeno habitual) anula la propiedad, genera decoherencia, arroja fallos y limita la capacidad de computación.

Jian-Wei Pan, el mayor experto en computación de China, lo resumía de forma contundente: “Construir un ordenador cuántico prácticamente útil y tolerante a los fallos es uno de los grandes desafíos para el ser humano. El más formidable para construir una computadora cuántica universal a gran escala es la presencia de ruido e imperfecciones”.

Hasta ahora se asumen esas limitaciones y se intentan paliar corrigiendo errores a posteriori, con la ayuda de procesamiento clásico, o construyendo ordenadores lo más aislados posible del entorno y capaces de mantener temperaturas cercanas al cero absoluto, equivalente a 273,15 grados Celsius bajo cero.

“Un ordenador cuántico”, explica Pablo San José, “requiere que, mientras está calculando, se mantenga completamente desacoplado del entorno: no puede haber ninguna interacción ni con luz, ni con vibraciones, ni con nada del mundo exterior. Tiene que estar en una burbuja, como si fuera un miniuniverso en sí mismo. Eso lo hace increíblemente frágil”.

Un ordenador cuántico tiene que estar en una burbuja, como si fuera un miniuniverso en sí mismo. Eso lo hace increíblemente frágil

Pablo San José, físico

De esta forma, el salto cualitativo para construir ordenadores cuánticos útiles en la práctica y tolerantes a los fallos sería hallar y dominar las partículas de Majorana, “capaces de esconder la información cuántica que codifican de forma que sea invisible al exterior”, según explica San José advirtiendo que es una forma simple de explicarlo. “Un cúbit basado en estados de Majorana sería mucho más robusto frente a la decoherencia, ya que se construye a partir de funciones de onda cuánticas separadas espacialmente, por lo que es inmune a cualquier perturbación local. Esta robustez facilitaría mucho el problema de la escalabilidad [crear ordenadores con más cúbits para superar la capacidad de la computación clásica]”, añade Aguado. “Llevamos ya 10 o 12 años buscando esa famosa partícula en superconductores topológicos”, comenta.

Para encontrarlas hace falta, además, según apunta Elsa Prada, el desarrollo de superconductores topológicos que puedan esconder la información cuántica para protegerla del exterior y “que no te engañen”. “Ese material no existe en la naturaleza de forma espontánea; son producto de la ingeniería de materiales. Desgraciadamente, estos albergan toda clase de partículas impostoras y pueden confundir. Para que no te engañen hacen falta dos cosas: mejorar sustancialmente la calidad de los materiales que se usan (un proceso muy delicado que solo saben hacer un puñado de crecedores de materiales en el mundo) y someter al superconductor topológico a unos protocolos de medida muy sofisticados, que revelen el entrelazamiento cuántico.”

El grupo de Charles Marcus, en el Instituto Niels Bohr de Dinamarca, dio un primer paso con la utilización de un material topológico propio y una técnica novedosa para identificar la partícula de Majorana. Las mediciones apuntaban un camino aparentemente correcto. El equipo austriaco replicó el experimento independientemente a partir del mismo material e, inicialmente, los resultados coincidían. Pero en ciencia y tecnología, dos veces es insuficiente y realizaron una prueba complementaria. “Vieron que había una contradicción en las conclusiones y esto era una paradoja irreconciliable que no sabían explicar”, señala San José. Los cálculos teóricos del equipo del CSIC arrojaron la respuesta: una partícula impostora que se comportaba como un Majorana, pero que no lo era.

“Estas partículas impostoras tienen a menudo algunas de las propiedades de los Majorana auténticos, energía cero, espín cero, carga cero… pero no la fundamental, la de proteger la información cuántica del entorno mediante una función de onda cuántica que podemos entender como un electrón partido en dos mitades separadas espacialmente. En ese sentido, no son útiles para computación cuántica”, explica.

Lo que podría parecer “una mala noticia”, según admite Prada, es, sin embargo, un hallazgo fundamental. En el complicado juego del Cluedo cuántico, el equipo del CSIC ha localizado al impostor, lo que permite identificar al causante de errores en experimentos anteriores, al generador de falsos positivos.

Además, también alumbra el camino del desarrollo de superconductores topológicos más robustos. “Hacerlos topológicos es realmente muy complicado: hay que mezclar diferentes materiales de forma muy precisa, con unas geometrías muy concretas, someterlos a campos externos…”, añade Prada.

El hallazgo es en realidad un paso atrás para tomar impulso. “Somos demasiado impacientes. Las primeras propuestas de los materiales a los que se refiere Elsa Prada son de hace 13 años y hubo una carrera demasiado precipitada hacia su demostración. Para ponerlo en contexto, pensemos que el transistor se descubrió en los años cuarenta del siglo pasado y no tuvimos microelectrónica de uso masivo hasta los ochenta. Con unos primeros microprocesadores muy voluminosos que tenían en torno a 1.000 transistores, mientras que en la actualidad cuentan en su interior con más de 100.000 millones de transistores, con tamaños apenas algo mayores que unos pocos átomos de silicio”, explica Aguado. “El primer bit cuántico basado en circuitos superconductores se demostró en 1998 y han tenido que pasar más de 20 años hasta que Google o IBM han podido lanzar sus ordenadores cuánticos con varias decenas de cúbits. Sencillamente, estamos empezando a explorar conceptos físicos muy novedosos que eventualmente darán lugar al siguiente paso; el cúbit topológico basado en Majoranas”, añade.

De esta forma, en física cuántica, encontrar el camino a seguir es tan importante como detectar los falsos atajos. “Estamos entrando en un universo tecnológico que apenas hemos explorado. La manipulación del mundo cuántico es un juego distinto, mucho más complicado y delicado. Nos faltan herramientas y materiales que no conocemos aún para abrir la puerta del todo, pero estos pasos iniciales son cruciales. A la larga, los materiales topológicos posibilitarán una revolución mucho más allá del ordenador cuántico. Estamos ante una frontera nueva en el entendimiento de la materia”, añade San José.

“Es muy importante entender la física fundamental que rige estos dispositivos superconductores. Nuestro trabajo acota bastante las posibilidades de falsos positivos en la búsqueda del escurridizo Majorana. Hemos dado un paso más hacia su detección y la explotación futura de todo su poder en computación cuántica”, concluyen los investigadores.

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