Construir un cúbit

Aunque nunca seremos capaces de construir un cúbit ni comprenderlo del todo, no viene mal hacer una aproximación a los fundamentos que pueden explicarlo y nos permiten entenderlo aunque solo sea en modo de posibilidad. Veamos un cúbit de microcircuitos superconductores.

En el circuito de la figura 1 tenemos en un mismo bucle un condensador y una bobina o reactancia, en un circuito llamado circuito LC. Si en el instante inicial tuviéramos el condensador cargado con las cargas positivas en su placa derecha, se descargarían a través de la bobina, dándose la circunstancia de que cuando las cargas estén repartidas entre las dos caras del condensador y cese la corriente, la reacción de la bobina, que se opone a la causa que la creó, que es el cese de la corriente, hará que continúe la descarga y todas las cargas positivas aparezcan en la cara izquierda del condensador.

Figura 1

El fenómeno vuelve a empezar en sentido contrario y si no hubiera pérdidas continuaría indefinidamente oscilando la carga de una placa a otra con la correspondiente circulación de electrones en un sentido y en otro. La frecuencia de esta oscilación puede tener los valores que queramos dependiendo de los parámetros del condensador y de la reactancia. Si la frecuencia fuera muy alta no seríamos capaces de ver desde fuera en que sentido circula la corriente, e incluso nos parecería que lo hace simultáneamente en ambos sentidos. Pero si paramos la oscilación haciendo que el sistema colapse veremos que en ese último ciclo la corriente circula en un determinado sentido. Esto es lo más parecido que tenemos a un cúbit en el mundo macroscópico. Un sentido, estado|0>; otro sentido, estado |1>; los dos simultáneamente o superpuestos, estado |0>+|1>; y al hacer la medida el sistema colapsa en cualquiera de los valores, |0> o |1>, que en este caso son equiprobables.

Para construir un cúbit se puede utilizar esta misma idea con las siguientes variaciones. En vez de un circuito macroscópico se hace un microcircuito; en lugar de conductores se utilizan superconductores, con lo cual las corrientes no serán por circulación de electrones sino por circulación de pares de Cooper; y en vez de la bobina se utiliza una unión Josephson, que es una unión entre superconductores, que por efecto túnel de los pares de Cooper desempeña un papel parecido al de la bobina. Con todo ello, tendremos un microcircuito que ya no responde a las leyes de la física clásica sino a las de la física cuántica, y que será la base de un cúbit hecho con superconductores. Su circuito sería el de la figura 2.

Figura 2

Las dos aspas o cruces representan dos uniones Josephson. Se ponen dos en paralelo en lugar de una porque haciendo pasar entre ambas un campo magnético se puede controlar su actividad. El conjunto de la figura se llama Caja de Cooper. El generador de impulsos tiene la misión de enviar impulsos al circuito para su control. En unas condiciones dadas el circuito de la figura tiene un nivel energético E1 y oscila con una frecuencia f1,que se corresponde con el estado cuántico |0>. Cuando se envía un impulso se manipulan los pares de cooper, el sistema se desequilibra con respecto a su situación anterior, su nivel energético pasa a ser E2, oscila con una frecuencia f2, y es entonces cuando tenemos el estado cuántico |1>. Como el conjunto sigue las leyes de la física cuántica, ambos pueden estar en superposición y tendremos el estado |0>+|1>.

¿Como se resuelve el problema de la lectura? Pues con un nuevo circuito LC, con lo cual el circuito completo, que pretende ser realista y esquemático, sería el de la figura 3, donde las cosas quedan como sigue. Las dos cajitas opuestas y enfrentadas de la derecha, unidas entre sí por dos rayitas representan las dos uniones de Josephson, que por su derecha pueden recibir el campo magnético que las controla. Las dos aspas grandes representan al condensador, que como se ve es de gran tamaño en relación con las uniones Josephson. Por la parte de arriba de las aspas se reciben los impulsos con los que se controla el cúbit. Y a la izquierda de las aspas el circuito de medida, que es también un circuito LC que tiene una frecuencia de oscilación determinada, al cual le podemos mandar un impulso por su izquierda.

Figura 3

Al estar unidos los dos circuitos, el principal y el de medida, las oscilaciones de uno influyen en las del otro, y el circuito de medida estará en estado de superposición. Si al circuito de medida le mandamos un impulso a su frecuencia natural, lo hará colapsar a una de las frecuencias f1 o f2 del cúbit que queremos medir. Si colapsa a la frecuencia f1 quiere decir el cúbit en ese momento está en el estado |0> y si lo hace a la frecuencia f2 estará en el estado |1>. Como cada circuito de medida puede tener su frecuencia natural distinta de los demás, en un sistema con muchos cúbits resulta fácil actuar solo sobre los cúbits que queremos medir sin alterar a los otros.

Fotografía de cabecera: Fotografía tomada de una conferencia de Juan Ignacio Cirac en la que se pueden ver siete cúbits hechos con microcircuitos superconductores. Se aprecian bien las uniones Josephson y los circuitos LC de medida.