Superconducting circuits host two-level systems with lifetimes exceeding one second

En la búsqueda de la construcción de máquinas que puedan resolver problemas más allá del alcance de las computadoras actuales, los científicos se están volviendo hacia una forma extraña y delicada de materia: los circuitos superconductores. Estos son bucles de metal que, al ser enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto, permiten que la electricidad fluya sin ninguna resistencia. Dentro de estos circuitos, los investigadores crean átomos artificiales llamados cúbits, que sirven como las unidades básicas de información para las computadoras cuánticas. A diferencia de los bits en una computadora estándar que son o bien cero o uno, un cúbit puede existir en una combinación de ambos estados simultáneamente. Sin embargo, estos cúbits son increíblemente frágiles. Son bombardeados constantemente por su entorno, e incluso la más mínima interacción puede causar que pierdan su información, un proceso conocido como decoherencia. Durante años, la comunidad científica ha trabajado incansablemente para blindar estos cúbits de su entorno, con la esperanza de extender el tiempo que pueden mantener su estado cuántico. La creencia predominante era que, a medida que los cúbits se volvieran más estables, el ruido de fondo de su entorno eventualmente sería lo suficientemente silencioso como para ser ignorado.

Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania ha desafiado ahora esta suposición al descubrir que el entorno de un circuito superconductor es mucho más persistente de lo que nadie esperaba. Utilizando un tipo especializado de circuito superconductor conocido como transmon, que está hecho de metal de tantalio y enfriado a temperaturas extremas, los científicos buscaron fuentes ocultas de ruido que pudieran estar interfiriendo con sus cúbits. Estaban buscando "sistemas de dos niveles", que son diminutos defectos en el material que pueden actuar como interruptores en miniatura, alternando entre dos estados y robando energía al cúbit. Si bien estos defectos se conocen desde hace algún tiempo, los investigadores encontraron algo extraordinario: una clase específica de estos defectos que pueden retener energía durante más de un segundo. Esta es una cantidad de tiempo asombrosa en el mundo cuántico, donde los cúbits típicamente pierden su estado en una fracción de un milisegundo.

Para encontrar estos esquivos defectos, los investigadores emplearon una técnica llamada espectroscopia de correlación de saltos cuánticos. Imagine escuchar una sola nota tocada en un violín en una habitación silenciosa. Si la nota de repente se detiene, usted podría preguntarse a dónde fue el sonido. En este experimento, el cúbit es el violín, y los investigadores observan el momento en que deja de vibrar, o "salta hacia abajo" a un estado de menor energía. Usualmente, cuando un cúbit pierde energía, esa energía desaparece para siempre en el entorno circundante. Sin embargo, el equipo observó que, a veces, después de que el cúbit perdía un fotón de energía, esa energía regresaba al cúbit después de un breve retraso. Este retorno de energía indicó que el entorno no simplemente había absorbido la energía, sino que la había almacenado temporalmente en un estado de larga duración antes de devolverla. Al rastrear cuidadosamente estos eventos, los investigadores pudieron aislar tres defectos específicos que estaban reteniendo energía por duraciones que iban desde cientos de milisegundos hasta más de un segundo.

Los investigadores diseñaron entonces un nuevo método para medir exactamente cuánto tiempo podían estos defectos retener su energía. Utilizaron una estrategia de "bombeo-sonda" (pump-probe), que consistía en primero excitar el defecto para llenarlo de energía y luego esperar a ver cuánto tiempo tardaba esa energía en filtrarse. Al ajustar la frecuencia del cúbit para que fuera ligeramente diferente de la frecuencia del defecto, pudieron controlar qué tan fuertemente interactuaban. Cuando la interacción era débil, encontraron que los defectos retenían su energía por períodos notablemente largos. De hecho, para dos de los defectos estudiados, la energía permaneció almacenada por más de un segundo. Esto es órdenes de magnitud más largo que la vida útil del propio cúbit, que típicamente dura solo unos cien microsegundos. El hecho de que estos defectos pudieran almacenar energía por tanto tiempo sugiere que están excepcionalmente aislados del resto del mundo, lo que los hace increíblemente difíciles de detectar con herramientas de medición estándar.

El estudio también proporcionó pistas sobre qué podrían ser realmente estos defectos. Los investigadores compararon sus mediciones con un modelo estándar utilizado para describir cómo los átomos o moléculas se mueven entre dos posiciones en un material sólido. Este modelo sugiere que los defectos que se mueven muy lentamente e interactúan muy débilmente con su entorno deberían tener tiempos de vida muy largos. Los datos del experimento coincidieron perfectamente con esta predicción, sugiriendo que estos defectos de larga duración son probablemente pequeñas imperfecciones estructurales en el material que realizan un efecto túnel, o se mueven, entre dos posiciones muy lentamente. Aunque los investigadores aún no pueden decir exactamente qué estructura química o física poseen estos defectos, la evidencia apunta lejos de otras posibilidades, como impurezas magnéticas o partículas atrapadas, que se comportarían de manera diferente. La interacción débil entre el cúbit y estos defectos, medida en el rango de unos pocos miles de ciclos por segundo, es consistente con la idea de que son defectos posicionales descritos por este modelo estándar.

Este descubrimiento cambia la forma en que los científicos ven el entorno de las computadoras cuánticas. Previamente, se pensaba que a medida que los cúbits fueran mejores, el ruido restante sería de corta duración y fácil de gestionar. Ahora, parece que el ruido más persistente proviene de estos defectos de larga duración que pueden almacenar energía durante segundos. Esto tiene implicaciones importantes para el futuro de la corrección de errores cuánticos, que es el método utilizado para corregir errores en los cálculos cuánticos. Si el entorno recuerda el estado del cúbit durante mucho tiempo, puede crear patrones complejos de errores que son más difíciles de predecir y corregir. Sin embargo, los investigadores también ven un potencial positivo. Debido a que estos defectos pueden retener información cuántica durante tanto tiempo, podrían algún día ser utilizados como una forma de memoria dentro de un circuito cuántico. Los investigadores sugieren que, a medida que los científicos continúen mejorando la calidad de sus cúbits, es probable que encuentren aún más de estos defectos de larga duración, de la misma manera que un telescopio con mejores lentes revela estrellas más tenues en el cielo nocturno.

El trabajo presentado en este artículo establece un nuevo marco para comprender el mundo microscópico dentro de los circuitos superconductores. Demuestra que estos circuitos pueden actuar como sondas sensibles para detectar grados de libertad microscópicos que duran segundos, una escala de tiempo que anteriormente se consideraba imposible en este contexto. Si bien la naturaleza exacta de estos defectos sigue siendo objeto de mayor investigación, la capacidad de medir sus tiempos de vida y su fuerza de acoplamiento proporciona un paso crucial hacia su control. Ya sea que estos sistemas de larga duración sean vistos como un estorbo que debe ser eliminado o como un recurso que puede ser aprovechado, su existencia altera fundamentalmente el panorama de la tecnología cuántica. Los investigadores han abierto una puerta a una capa oculta del entorno cuántico, una que es silenciosa, persistente y llena de potencial tanto para el desafío como para el descubrimiento.