Un nuevo experimento utiliza qubits superconductores para demostrar que la mecánica cuántica viola lo que se llama realismo local, permitiendo que dos objetos se comporten como un solo sistema cuántico, sin importar cuán grande sea la separación entre ellos. El experimento no fue el primero en mostrar que el realismo local no es la forma en que funciona el Universo, ni es el primero en hacerlo con qubits.

Pero es el primero en separar los qubits a una distancia suficiente para garantizar que la luz no sea lo suficientemente rápida para viajar entre ellos mientras se toman las medidas. Y lo hizo enfriando un cable de aluminio de 100 pies de largo a unos pocos miliKelvins. Debido a que los qubits son tan fáciles de controlar, el experimento proporciona una nueva precisión para este tipo de medición. Y la configuración del hardware podría ser esencial para futuros esfuerzos de computación cuántica.

Ser real sobre el realismo

Albert Einstein estaba famoso por su inquietud acerca de algunas de las consecuencias del entrelazamiento cuántico. Si la mecánica cuántica fuera correcta, un par de objetos entrelazados se comportarían como un solo sistema cuántico, sin importar cuán separados estén los objetos. Cambiar el estado de uno de ellos debería cambiar instantáneamente el estado del segundo, y el cambio aparentemente ocurre más rápido de lo que la luz podría viajar entre los dos objetos. Esto, razonó Einstein, casi con certeza tenía que estar equivocado.

A lo largo de los años, la gente ha propuesto varias versiones de lo que se denominan variables ocultas: propiedades físicas que se comparten entre objetos, lo que permite un comportamiento similar al enredo y mantiene localizada la información que determina ese comportamiento. Las variables ocultas conservan lo que se llama «realismo local», pero en realidad no describen nuestra realidad.

El físico John Bell ha demostrado que todas las estructuras de variables locales limitan el grado en que se puede correlacionar el comportamiento de los objetos cuánticos. Pero la mecánica cuántica predice que las correlaciones deben ser mayores que eso. Al medir el comportamiento de pares de partículas entrelazadas, podemos determinar si violan las ecuaciones de Bell y así demostrar claramente que las variables ocultas no explican su comportamiento.

Los pasos iniciales hacia esta demostración fueron malos para las variables ocultas, pero permitieron lagunas: incluso si se violaban las desigualdades de Bell, aún era posible que la información viajara entre objetos cuánticos a la velocidad de la luz. Pero en las últimas décadas, las lagunas se han cerrado gradualmente y se han otorgado premios Nobel.

Entonces, ¿por qué volver a los experimentos? En parte porque los qubits nos brindan un gran control sobre el sistema, lo que nos permite ejecutar rápidamente una gran cantidad de experimentos e investigar el comportamiento de este entrelazamiento. Y en parte porque es un desafío técnico interesante. Los qubits superconductores se controlan con radiación de microondas, y entrelazarlos requiere mover unos pocos fotones de microondas de muy baja energía entre los dos. Y hacerlo sin que el ruido ambiental lo estropee todo es un gran desafío.

Acción espeluznante a una distancia de 30 metros.

Violar las desigualdades de Bell es una cuestión relativamente simple de medir repetidamente partículas entrelazadas y mostrar que sus estados están correlacionados. Si esta correlación supera un valor crítico, sabemos que las variables ocultas no pueden explicar este comportamiento. Y los qubits superconductores, llamados transmons, están diseñados para hacer que la medición sea trivial, precisa y rápida. Así que esta parte es simple.

Deshacerse de uno de los principales vacíos en estas mediciones es donde las cosas se ponen difíciles. Debe demostrar que la correlación en las mediciones no podría haber sido mediada por información que viaja a la velocidad de la luz. Dado que las mediciones requieren bastante tiempo para realizarse, esto significa que debe separar los dos qubits una distancia suficiente para permitir que la medición se complete antes de que la luz pueda viajar entre ellos. Según el tiempo que toman las mediciones, el equipo de investigación detrás del nuevo trabajo, que trabaja en ETH Zürich, calculó que 30 metros serían suficientes.

Aunque está justo al final del pasillo en un edificio de laboratorio diferente, 30 metros es un gran desafío debido al proceso de entrelazamiento, que implica el uso de fotones de microondas de baja energía, que se pierden fácilmente en un mar de ruido ambiental. En la práctica, esto significa que todo lo relacionado con estos fotones debe mantenerse a las mismas temperaturas en miliKelvin que los propios qubits. Por lo tanto, todos los 100 pies de alambre de aluminio que actúan como guía de ondas de microondas deben enfriarse a una pequeña fracción de grado por encima del cero absoluto.

En la práctica, eso significó dar acceso a todo el ensamblaje construido para mantener frío el cable a los sistemas de enfriamiento de helio líquido que alojaban los qubits en cada extremo, y construir un sistema de enfriamiento separado en el punto central del tubo de 30 metros. El sistema también necesitaba conexiones internas flexibles y soportes externos porque todo se contrae significativamente a medida que se enfría.

Aún así, todo funcionó notablemente bien. Debido al rendimiento de los qubits, los investigadores pudieron realizar más de un millón de pruebas individuales en solo 20 minutos. Las correlaciones resultantes resultaron estar por encima del límite establecido por las ecuaciones de Bell por la asombrosa cifra de 22 desviaciones estándar. Dicho en otros términos, el valor p del resultado fue inferior a 10^-108.

¿Qué está por venir?

Los dos factores principales que limitan el rendimiento del sistema son los errores en los qubits y la pérdida de los fotones utilizados para enredarlos. Los investigadores creen que pueden mejorar ambos, lo que podría convertir a los qubits en la prueba más rigurosa de las desigualdades de Bell. Pero el trabajo podría hacerse más significativo debido a la forma en que enredó los qubits.

Todos los que trabajan con qubits superconductores dicen que, en última instancia, necesitaremos integrar miles de ellos en una sola computadora cuántica. Desafortunadamente, cada uno de estos qubits requiere una cantidad considerable de espacio en un chip, lo que significa que es difícil fabricar chips con más de unos pocos cientos de ellos. Así que los grandes jugadores como Google e IBM están planeando conectar varios chips en una sola computadora (algo que la startup Rigetti ya está haciendo).

Sin embargo, para decenas de miles de qubits, es casi seguro que necesitaremos tantos chips que es difícil mantenerlos todos en un solo hardware de refrigeración. Esto significa que eventualmente querremos conectar chips en diferentes sistemas de enfriamiento, exactamente lo que se ha demostrado aquí. Entonces, esta es una demostración importante de que podemos, de hecho, vincular qubits a este tipo de sistemas.

Naturaleza, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05885-0 (Sobre los DOI).