Investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) han logrado leer por primera vez la información almacenada en cúbits de Majorana, considerados difíciles de acceder debido a su naturaleza topológica. Este avance, publicado en Nature, se enmarca dentro de una colaboración europea y utiliza una técnica innovadora llamada capacitancia cuántica. Los cúbits de Majorana son valorados por su estabilidad y resistencia al ruido, lo que los hace ideales para la computación cuántica. El estudio destaca la creación de una cadena mínima de Kitaev que permite detectar el estado cuántico de manera precisa, marcando un hito en la investigación sobre ordenadores cuánticos fiables.
La búsqueda de ordenadores cuánticos fiables enfrenta numerosos desafíos, y uno de los más significativos está vinculado a los enigmáticos cúbits de Majorana. Estos bits cuánticos se caracterizan por estar protegidos topológicamente, lo que les confiere una mayor estabilidad, velocidad y compactibilidad en comparación con otros tipos de cúbits. Sin embargo, su lectura ha resultado ser un reto considerable. Recientemente, un equipo internacional, que incluye al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), ha logrado leer con éxito la información almacenada en estos cúbits, un avance publicado en la revista Nature.
Este hito se ha alcanzado gracias a una colaboración europea que cuenta con el apoyo del proyecto QuKIt, financiado mediante una ayuda Pathfinder del Consejo Europeo de Innovación. “Se trata de un avance crucial”, afirma Ramón Aguado, investigador del CSIC en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) y coautor principal del estudio. “Nuestro trabajo es pionero porque demostramos que podemos conocer la información almacenada en los cúbits de Majorana utilizando una nueva técnica llamada capacitancia cuántica”, añade Aguado, quien explica que esta técnica “actúa como una sonda global sensible al estado conjunto del sistema”.
Los cúbits de Majorana representan un tipo especial de cúbit topológico donde se almacena la información cuántica. A diferencia de otros cúbits, estos no concentran la información en un solo punto; en cambio, la distribuyen entre dos estados especiales conocidos como modos cero de Majorana. Esta característica los convierte en candidatos ideales para ordenadores cuánticos, ya que son intrínsecamente robustos frente al ruido local que puede causar decoherencia. Sin embargo, su naturaleza también plantea interrogantes sobre cómo detectar propiedades que no residen en un único punto.
Para superar este obstáculo, el equipo desarrolló una nanoestructura modular compuesta por pequeñas piezas —similar a un juego de Lego— denominada cadena mínima de Kitaev. Esta estructura actúa como un puente superconductor que conecta dos puntos cuánticos semiconductores. Al unirlos, la información se fragmenta y se resguarda en los extremos del puente. Si ambas mitades logran permanecer estables y almacenar información conjunta, se genera un cúbit de Majorana. “A diferencia de experimentos previos donde se actuaba sin dirección sobre materiales diversos, nosotros creamos el sistema bottom-up (de abajo hacia arriba), lo cual nos permite generar modos de Majorana controladamente”, explica Aguado.
Una vez establecida la cadena mínima de Kitaev y utilizando la sonda de capacitancia cuántica, el equipo logró discriminar por primera vez en tiempo real si el estado cuántico no local formado por los dos modos de Majorana era par o impar. Esto implica identificar si el sistema está ‘lleno’ (1) o ‘vacío’ (0), lo cual constituye la base fundamental del cúbit. “El experimento confirma elegantemente el principio de protección: mientras las mediciones locales son incapaces de captar esta información, la sonda global revela todo con claridad”, celebra Gorm Steffensen, también del ICMM-CSIC y uno de los autores principales del estudio.
Otro hallazgo importante fue la observación de ‘saltos aleatorios de paridad’, que indican cómo el sistema alterna entre los estados lleno (1) y vacío (0) debido a interferencias externas mínimas. Esta dinámica permitió medir una coherencia temporal superior al milisegundo: “Un valor que representa un paso previo inmediato hacia las primeras operaciones coherentes con un cúbit basado en modos de Majorana”, concluyen Aguado y Steffensen.
Este innovador estudio combina metodologías experimentales avanzadas desarrolladas principalmente en la Delft University of Technology con contribuciones teóricas del grupo ICMM-CSIC. Aguado subraya que la aportación teórica del CSIC ha sido esencial para desentrañar este complejo experimento.
ICMM-CSIC Comunicación
Los cúbits de Majorana son un tipo de cúbit topológico que almacenan información cuántica de manera distribuida en un par de estados especiales, conocidos como modos cero de Majorana. Son más estables y robustos contra el ruido local que otros cúbits, lo que los hace valiosos para la computación cuántica.
El equipo ha logrado leer de forma fiable la información almacenada en cúbits de Majorana utilizando una nueva técnica llamada capacitancia cuántica. Esto permite discriminar si el estado cuántico no local del sistema es par o impar, lo que equivale a detectar si el sistema está 'lleno' (1) o 'vacío' (0).
Se creó una nanoestructura modular llamada cadena mínima de Kitaev, que funciona como un puente superconductor conectando dos puntos cuánticos semiconductores. Esta estructura permite dividir y proteger la información en los extremos del puente, facilitando la creación y lectura de los cúbits de Majorana.
La observación de 'saltos aleatorios de paridad' indica cómo el sistema cambia su estado entre lleno (1) y vacío (0) debido a interferencias externas. Esto permitió medir una coherencia superior al milisegundo, lo cual es un paso importante hacia operaciones coherentes con cúbits basados en modos de Majorana.