Descubren las cuasipartículas que podrían revolucionar la computación cuántica

Un equipo de físicos del Weizmann Institute de Israel ha comprobado experimentalmente la existencia de cuasipartículas con una carga eléctrica equivalente a una cuarta parte de la carga fundamental del electrón. Las cuasipartículas son entidades relacionadas con las partículas elementales (componentes de la materia a nivel subatómico) que aparecen en ciertos sistemas en los que las partículas interactúan.

Según explica el Weizmann Institute en un comunicado, las cargas fraccionadas del electrón fueron predichas por vez primera hace 20 años, bajo las condiciones experimentales propias del llamado efecto Hall, y descubiertas por el grupo de Weizmann hace diez años. El efecto Hall consiste en la aparición de un campo eléctrico –campo Hall- en un conductor cuando es atravesado por un campo magnético.

Aunque la carga de los electrones es indivisible, explica el citado comunicado, si son confinados en una capa bidimensional de material semiconductor, enfriados hasta cerca del cero absoluto (-273 ºC, temperatura en que la energía de un material es la energía mínima posible) y, finalmente, expuestos a un campo magnético intenso perpendicular a dicha capa, acaban comportándose como cuasipartículas, con cargas menores que la carga fundamental del electrón.

Hasta ahora, estas cuasipartículas habían presentado extrañas fracciones, como un tercio o un quinto de la carga del electrón. Pero en el experimento realizado por una estudiante de Weizmann llamada Merav Dolev, perteneciente al grupo del profesor Moty Heiblum, ambos del Condensed Matter Physics Department, se encontraron cuasipartículas con una carga equivalente a un cuarto de la carga del electrón, lo que podría constituir un descubrimiento de gran trascendencia por sus posibles aplicaciones en la computación cuántica.

Material de propiedades únicas

Para este hallazgo los investigadores produjeron capas muy finas, prácticamente bidimensionales, de arseniuro de galio, un compuesto semiconductor formado por galio y arsenio que se suele utilizar para fabricar dispositivos como circuitos integrados a frecuencias de microondas, diodos de emisión infrarroja, diodos láser o células fotovoltaicas.

Los científicos definieron una densidad de electrones presentes entre tales capas bidimensionales, donde fueron confinados alrededor de tres mil millones de electrones por milímetro cuadrado, de tal forma que hubiera cinco electrones por cada dos flujos de campo magnético aplicado.

El aparato que fabricaron para el experimento tenía la forma de un reloj de arena aplastado, con una estrecha “cintura” en el medio que permitía el paso a sólo un pequeño número de partículas con carga en un momento dado.

El paso de dichas partículas a través de esta ranura, y la vuelta atrás de las que no podían atravesarla, ocasionó fluctuaciones en la corriente que se correspondía con las cargas que pasaron. Esta correspondencia permitió a los investigadores medir con exactitud la carga de las cuasipartículas, cuyo valor resultó ser un cuarto de la carga del electrón.

Cuestión de carga

Las cuasipartículas que tienen un cuarto de la carga del electrón actúan de manera muy distinta del resto de las partículas con carga fraccionada, y por eso han sido buscadas como fundamento para la fabricación de un hipotético ordenador cuántico topológico, explica el Instituto Weizmann.

El descubrimiento significa que estas cuasipartículas podrían tener las propiedades necesarias para el desarrollo de ordenadores cuánticos topológicos, de gran potencia pero, al mismo tiempo, altamente estables, según explican sus descubridores en la revista Nature.

Cuando partículas como los electrones, los fotones e incluso aquéllas con cargas fraccionadas de tipo distinto a la de un cuarto de la carga del electrón, intercambian sus estados, este cambio tiene un efecto global leve en el sistema. Por el contrario, en el caso de las cuasipartículas con una carga de un cuarto de la del electrón, se produce un “tejido” que sirve para preservar información en el registro de las partículas.

Una puerta a los ordenadores cuánticos

El ordenador cuántico es el sueño de todas las agencias de seguridad y de todos los hackers del mundo. Los bits de los ordenadores actuales oscilan constantemente entre el 0 y el 1 mientras llevan a cabo su trabajo. Pero, en los sistemas cuánticos partículas como el átomo, el electrón o el fotón pueden estar en dos estados a la vez, en un fenómeno conocido como superposición de estados.

La superposición de estados describe un fenómeno cuántico según el cual las partículas elementales no están diferenciadas individualmente entre sí, como las gotas de agua dispersas en una mesa, sino en una superposición de estados, como las gotas contenidas en un vaso de agua, con una probabilidad de materializarse (de convertirse en gota de agua) para cada uno de esos estados dependiendo de determinadas circunstancias.

Llevado a la computación, esto quiere decir que dichas partículas podrían representar el 1 y el 0 al mismo tiempo, permitiendo a los ordenadores hacer cálculos mucho más complejos, seguros y veloces que los que realizan actualmente.

Otros intentos

En Tendencias21 ya hemos hablado de los ordenadores cuánticos en diversas ocasiones. En 2003, por ejemplo, publicamos un artículo que señalaba que un equipo de científicos habían ideado un calculador clásico controlado por un subsistema cuántico que funcionaría, en lugar de con la unidad tradicional de información, eñ bit, con los llamados qubits (quantum bit).

Los científicos han seguido trabajando en el desarrollo de este tipo de ordenadores, aunque se calcula que no se tendrá la tecnología necesaria para fabricarlos hasta dentro de unos 20 años. Las últimas noticias al respecto nos llegaron en 2007, con el anuncio del lanzamiento, por parte de D-Wave Systems, de un prototipo de ordenador cuántico capaz de resolver problemas sencillos.

En 2008, además, un equipo internacional de científicos consiguió teletransportar el estado cuántico de un qubit fotónico a un qubit atómico situado a siete metros de distancia, conservando su información durante ocho microsegundos.

Todos estos avances nos acercan cada vez más a los ordenadores cuánticos, es decir, a un nuevo concepto de procesamiento de la información basado en la naturaleza cuántica de las partículas elementales. Según los especialistas, la realidad cuántica llegará algún día a revolucionar el mundo de la información.