En el mundo de la física cuántica, hay principios que parecen inquebrantables, reglas fundamentales que han resistido el paso del tiempo. Sin embargo, un equipo de investigadores de la Universidad de Aalto ha logrado lo que parecía imposible: superar una restricción física en la transición entre estados cuánticos, un avance que podría transformar la computación cuántica.

Este hallazgo se basa en el efecto Landau-Zener-Stückelberg-Majorana (LZSM), formulado en 1932, y demuestra que es posible saltar directamente entre ciertos estados de un sistema cuántico sin atravesar los intermedios. Los resultados, publicados en Physical Review Letters, muestran que esta técnica no solo es viable, sino que ofrece una precisión sin precedentes en el control de qubits.

Un principio de 1932 llevado más allá

El efecto LZSM es un fenómeno cuántico que describe cómo un sistema cambia de estado cuando su energía varía en el tiempo. Descubierto hace más de 90 años por Landau, Zener, Stückelberg y Majorana, ha sido ampliamente utilizado en física y química, pero siempre dentro de ciertos límites.

Hasta ahora, se asumía que una transición entre dos niveles de energía requería pasar por el estado intermedio. Sin embargo, los investigadores de Aalto han demostrado lo contrario: han conseguido inducir una transición directa entre el estado fundamental y el segundo estado excitado sin ocupar el primero. Esto se logró mediante una técnica basada en procesos virtuales y la modulación de fase de una señal cuántica.

El experimento que desafió las reglas

Para llevar a cabo esta demostración, el equipo utilizó un circuito superconductivo, similar a los empleados en computadoras cuánticas. Aplicando una señal de microondas con una frecuencia modulada, lograron manipular el sistema sin excitar estados intermedios.

En términos técnicos, la clave del éxito fue el uso de dos transiciones LZSM simultáneas, lo que permitió transferir la población del estado fundamental al segundo excitado con una eficiencia del 98%. Como explican en el estudio, “desarrollamos un pulso de control eléctrico que cambia el estado del qubit desde el nivel fundamental hasta el segundo nivel usando un proceso virtual que involucra el primer nivel”.

Beneficios para la computación cuántica

Este avance no solo desafía las reglas establecidas, sino que tiene implicaciones prácticas inmediatas. El método desarrollado es mucho más robusto que los enfoques tradicionales, ya que no requiere un ajuste preciso de la frecuencia de transición, lo que simplifica el diseño de hardware cuántico.

Como explica Marko Kuzmanovic, coautor del estudio, una de las ventajas de nuestro enfoque es que facilita enormemente la adición de un tercer estado a estos sistemas. Esto podría permitir el desarrollo de qubits más eficientes y resistentes al ruido, un problema clave en la computación cuántica actual.

Mayor precisión y menor error

Otro aspecto fundamental de este descubrimiento es su capacidad para minimizar errores en los cálculos cuánticos. La computación cuántica es extremadamente sensible a pequeñas variaciones en la energía, lo que dificulta mantener la coherencia de los qubits.

El nuevo método evita la excitación no deseada de otros estados, algo que tradicionalmente ha sido un desafío. Como explica el profesor Gheorghe Sorin Paraoanu, “si tienes un sistema multinivel y aplicas radiación, lo más probable es que excites estados no deseados. Nuestro resultado muestra cómo dirigir con precisión la transición al estado correcto”.

Un paso hacia la computación cuántica avanzada

Los investigadores creen que este hallazgo podría ser clave para la construcción de ordenadores cuánticos más compactos y eficientes. Al eliminar la necesidad de hardware adicional para corregir transiciones no deseadas, los procesadores cuánticos podrían volverse más pequeños, rápidos y confiables.

Además, este tipo de control sobre los estados cuánticos abre nuevas posibilidades en áreas como la comunicación cuántica y la detección de partículas exóticas, donde la precisión en la manipulación de estados es crucial.

Como concluye Paraoanu, “este método reduce la sobrecarga de hardware en los ordenadores cuánticos”, lo que significa que en el futuro podríamos ver computadoras cuánticas más poderosas con menos recursos físicos.