José Carlos Egues, de la Universidad de São Paulo, y Yugui Yao, del Instituto Tecnológico de Beijing, proponen leer un qubit de Andreev mediante la corriente eléctrica que genera. El trabajo, financiado por FAPESP y publicado en Physical Review B Letters, plantea extraer información cuántica sin acoplarle un qubit auxiliar. Por ahora, la propuesta se basa en análisis teórico y simulaciones; todavía no se ha probado en un dispositivo.
Medir un qubit sin cargarse la información
Un bit convencional puede consultarse sin que cambie su valor: es 0 o 1. Un qubit, en cambio, puede estar en una superposición de ambos estados, una combinación cuántica que permite realizar operaciones imposibles para un ordenador corriente. Pero interactuar con el qubit para averiguar su estado puede alterar esa superposición y borrar parte de la información que se quería leer.
En la formulación habitual de la mecánica cuántica, una medición proyectiva lleva al sistema a uno de los estados asociados a la magnitud medida. No es una limitación que se resuelva con un sensor más caro, sino una propiedad básica de la medición cuántica. Por eso, leer información de forma fiable sigue siendo un problema práctico, incluso cuando el qubit ya está preparado y funciona como se espera.
Una solución conocida recurre a las mediciones cuánticas no destructivas, o QND. En muchos protocolos, la información del qubit se transfiere a una ancilla —un sistema auxiliar— que luego se mide en lugar del qubit original. El método requiere preparar la ancilla, acoplarla al qubit, transferir la información y medirla. En equipos con muchos qubits, cada paso añade controles, conexiones y posibles fuentes de error.
Egues y Yao proponen prescindir de esa ruta y leer una señal que surge del propio qubit de Andreev. No plantean una medición sin interacción, sino una estrategia que busca reducir la perturbación y evitar componentes adicionales. Si se confirma en el laboratorio, podría simplificar una parte de la lectura cuántica.
El qubit de Andreev tiene una señal propia
El sistema estudiado se basa en estados de Andreev, fenómenos cuánticos que aparecen en la frontera entre materiales normales y superconductores. El nombre honra al físico soviético Alexander Andreev, quien describió este proceso en 1964. En la configuración analizada, la región activa es un punto cuántico: una estructura diminuta que confina electrones, formada en un nanocable de arseniuro de indio (InAs) conectado a materiales superconductores por ambos lados.
Los estados cuánticos confinados en esa zona pueden representar los valores básicos 0 y 1, así como sus superposiciones, por lo que son candidatos para almacenar información cuántica. Según el análisis, cuando el qubit está en superposición, la corriente superconductora desarrolla una componente oscilante. Esta no procede de un generador externo, sino de la interferencia cuántica entre los estados que componen la superposición.
Una corriente superconductora, o supercorriente, puede circular sin resistencia eléctrica en las condiciones adecuadas. En este caso, los investigadores distinguen una componente constante y otra que cambia con el tiempo. La primera, junto con la amplitud de la oscilación, aporta información sobre cuánto contribuyen los estados 0 y 1. El momento en que comienza la oscilación contiene información sobre la fase relativa entre ellos, que describe cómo se relacionan los componentes de la superposición.
Los físicos suelen representar el estado de un qubit mediante la esfera de Bloch. Cada punto de su superficie corresponde a un estado puro definido por dos ángulos: uno indica la proporción de los estados básicos y el otro, su fase relativa. La propuesta sostiene que la corriente contiene información sobre ambos parámetros. Midiendo su evolución temporal, sería posible reconstruir el estado inicial del qubit sin medirlo directamente. El mecanismo sigue siendo una predicción teórica, no una demostración experimental.
Una oscilación sin el voltaje habitual
En los sistemas superconductores, una corriente alterna suele asociarse al efecto Josephson AC, que requiere aplicar un voltaje. Egues y Yao predicen una corriente oscilante sin ese voltaje externo. En su modelo, la oscilación se debe a la evolución cuántica del propio qubit: el estado cambia y ese cambio se refleja en la supercorriente.
Si la señal surge de la dinámica interna del qubit, puede ofrecer una forma de seguir esa dinámica sin imponer desde fuera el ritmo de la lectura. El proceso microscópico —la evolución de una superposición— se traduciría así en una magnitud eléctrica detectable. La propuesta tendrá que comprobarse en un dispositivo y demostrar que la señal se distingue del ruido.
El plan experimental sitúa el qubit dentro de un circuito superconductor cerrado, para que la corriente circule continuamente. Cerca se colocaría un SQUID, un dispositivo de interferencia cuántica superconductora capaz de detectar campos magnéticos muy débiles. Como la corriente genera un campo magnético y la corriente de Andreev oscilaría, también lo haría ese campo. El SQUID mediría sus variaciones, a partir de las cuales se inferiría el comportamiento de la corriente y, después, el estado del qubit.
Egues compara el sistema con dos brújulas: una representa el qubit y la otra, el SQUID. La corriente del circuito produce el campo que percibe la segunda. En la práctica, el sensor debe acoplarse lo suficiente para detectar una señal diminuta, pero no tanto como para perturbar el sistema. Ese equilibrio entre sensibilidad e interacción es uno de los principales retos del método.
Menos ancillas, pero no una medición mágica
La interacción entre el SQUID y el circuito sería débil. Las simulaciones indican que la retroacción sobre el qubit puede reducirse a un nivel muy pequeño, lo que permitiría acercarse a una lectura no destructiva, aunque no eliminaría el problema fundamental de la medición. El sensor sigue acoplado al sistema y ese acoplamiento puede influir en su evolución.
La ventaja buscada es más concreta: al no trasladar la información a una ancilla, el protocolo podría evitar la preparación y el control de qubits adicionales. También podría permitir observaciones repetidas mientras el estado evoluciona, en lugar de depender de ciclos separados de medición y reinicio. Para estudiar procesos cuánticos dinámicos, seguir una señal en el tiempo puede aportar más información que una lectura aislada.
Los autores incorporaron en sus simulaciones ruido de medición y la retroacción asociada a la bobina de detección. Con distintos números de mediciones, obtuvieron precisiones de reconstrucción del 99,52 %, el 99,81 % y el 99,85 %. Según el estudio, esas cifras se sitúan dentro de umbrales habituales en esquemas de corrección de errores cuánticos.
Esas precisiones corresponden a simulaciones, no al rendimiento de un aparato construido. El trabajo tampoco demuestra que la técnica pueda escalar sin complicaciones a procesadores grandes. Sus resultados indican que, bajo los parámetros empleados en el modelo, la reconstrucción puede resistir ciertos efectos no ideales.
El obstáculo ahora se llama montaje
Según Egues, los cálculos utilizan valores realistas y parámetros tomados de sistemas existentes. También existen SQUIDs y estructuras superconductoras capaces de detectar corrientes y campos magnéticos débiles. Lo que todavía no existe es la geometría concreta que reúna esos componentes de la manera propuesta. Integrar tecnologías conocidas en un dispositivo que funcione como predice el modelo puede requerir un trabajo largo.
La primera prueba tendrá que verificar que el qubit de Andreev produce la oscilación prevista sin un voltaje aplicado y que la señal puede medirse con suficiente precisión. Después habrá que demostrar que las componentes constante y oscilante permiten reconstruir la amplitud y la fase, y que el SQUID no perturba el sistema más de lo previsto en las simulaciones. Detectar una corriente oscilante, por sí solo, no bastaría para confirmar el método completo.
Si el montaje supera esas pruebas, podría ofrecer una lectura de qubits de Andreev con menos piezas auxiliares y menos pasos. La propuesta se limita a un tipo específico de qubit y a una estrategia particular de lectura; no implica que las ancillas vayan a desaparecer de la computación cuántica. Por ahora, el trabajo presenta un mecanismo teórico, simulaciones con ruido y un montaje posible con tecnología existente, pendiente de verificación experimental.
