Los cúbits ya no temen a los errores: científicos chinos enseñan a las redes cuánticas a repararse solas

Científicos de la Universidad de Tsinghua, el Laboratorio Nacional de Hefei y la Academia de Información Cuántica de Pekín han desarrollado un enfoque radicalmente nuevo para construir redes cuánticas fiables. En la revista Nature Physics explicaron cómo lograron que un nodo de red detectara y corrigiera por sí solo errores en la transmisión de datos.

Las tecnologías cuánticas prometen revolucionar el mundo de la computación. A diferencia de los ordenadores tradicionales que operan con bits —ceros y unos—, estos sistemas utilizan bits cuánticos, o cúbits. La principal ventaja de los cúbits radica en sus propiedades únicas, que obedecen a las leyes de la mecánica cuántica.

La primera de estas propiedades, la superposición, permite que un cúbit esté simultáneamente en estado de cero y de uno, hasta que se realiza una medición. Imagine una moneda que, al ser lanzada, no solo gira, sino que realmente se encuentra a la vez en posición de cara y cruz. Solo cuando “se mide” —al caer sobre la mesa— adopta un estado definido.

La segunda propiedad crucial, el entrelazamiento cuántico, conecta dos o más cúbits de forma que el estado de cada uno no puede describirse por separado. Cuando los cúbits están entrelazados, el cambio en el estado de uno afecta instantáneamente al otro, incluso si están separados por una gran distancia.

Basándose en estos fenómenos, los científicos están creando redes cuánticas: sistemas de nodos interconectados capaces de transmitir y procesar información cuántica. Estas redes no solo permitirán una comunicación absolutamente invulnerable a los ataques, sino que también unirán ordenadores cuánticos en un único sistema, multiplicando su potencia de cálculo.

Sin embargo, existe un problema muy serio: los estados cuánticos son extremadamente frágiles. Cualquier interferencia externa —como fluctuaciones térmicas, campos electromagnéticos o incluso una simple medición— puede alterar las propiedades cuánticas del sistema y provocar errores en la transmisión de información.

En los ordenadores tradicionales, corregir errores es sencillo. Cuando un bit “se invierte” de 0 a 1 o viceversa, la máquina compara su valor con varias copias de respaldo y restaura los datos correctos. Con los estados cuánticos es mucho más complicado: las leyes fundamentales de la naturaleza prohíben copiarlos. Y cualquier medición destruye instantáneamente sus propiedades únicas, como si un castillo de naipes se derrumbara con el más leve contacto.

Los físicos chinos encontraron una solución poco convencional, basándose en defectos especiales en la estructura cristalina del diamante: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por un átomo de nitrógeno y la posición vecina queda vacante. Estas irregularidades estructurales, llamadas centros de vacante de nitrógeno, poseen propiedades cuánticas únicas.

Tras diez años de investigación, los científicos aprendieron a controlar distintas características de estos centros. El avance clave fue que el equipo logró coordinar el trabajo de tres portadores distintos de información cuántica: espines de electrones, núcleos atómicos y fotones. Los espines, semejantes a diminutas agujas magnéticas, cumplen funciones diferentes: los electrónicos realizan cálculos, los nucleares almacenan datos y los fotónicos aseguran la transmisión de información entre partes del circuito.

Ahora todos estos avances se han integrado en un solo sistema: un nodo de red cuántica capaz de detectar y corregir errores por sí mismo. Cuando ocurre una “inversión” de bit, el dispositivo identifica el cambio y corrige la falla sin destruir la delicada naturaleza cuántica de la información almacenada.

En un futuro próximo, el equipo planea ampliar las capacidades del sistema. Pretenden añadir más cúbits para aprender a corregir no solo las inversiones de bits, sino también los errores de fase —otro tipo de distorsión cuántica. También están trabajando para mejorar la precisión de las mediciones.

A largo plazo, la tecnología encontrará aplicaciones en numerosos campos. Las redes cuánticas permitirán una comunicación imposible de interceptar: cualquier intento de espiar la información transmitida destruirá inevitablemente los estados cuánticos y será detectado. Sensores cuánticos de alta precisión posibilitarán el desarrollo de nuevos programas de navegación. Y los ordenadores cuánticos conectados en clústeres podrán modelar procesos moleculares y químicos complejos, acelerando el desarrollo de nuevos materiales y medicamentos.